二氧化锰基催化剂的可控制备、结构调控及其电催化析氧反应性能研究

作     者：黄乐珩 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余林

授予年度：2022年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：二氧化锰 结构调控 电催化 析氧反应 

摘      要：随着化石燃料对环境的负面影响越来越大,以及人们不断增长的能源需求,现代研究人员对可持续生产清洁能源的开发和利用有着急切且巨大的需求。在各种解决方案中,可再生能源转换和存储系统引起了相当多的关注,如再生型燃料电池、电催化分解水和金属-空气电池等。这些能源系统包括析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)、析氢反应(HER)等基本电化学反应。其中,涉及多步电子转移的OER反应表现出较高的能垒和缓慢的动力学,妨碍了这些可再生能源技术大规模应用的步伐。因此,开发高效、稳定、成本低廉的OER催化剂,对提高能源转换过程的效率具有重要意义。MnO基催化剂具有性价比高,晶相形貌多变等优点,有望成为符合低成本、高活性、强耐久性要求的OER催化剂。然而,MnO催化剂的OER活性远低于基准催化剂(Ir O和Ru O),这与MnO导电性差和活性位点有限等因素有关。基于如何设计高活性MnO基催化剂的问题,本论文以碱性介质(1 M KOH)中电催化OER活性为标准,采用晶型转变、金属离子掺杂和构建异质结构等策略对MnO进行不同层面的结构调控。本论文的主要研究内容如下:(1)改变反应条件,对MnO进行宏观结构调控。通过改变反应温度和硫酸的用量,在碳纸上分别制备α-MnO纳米线阵列和δ-MnO纳米片阵列,并将其作为OER催化剂,探究晶体结构与其OER电催化活性之间的构效关系。根据在1 M KOH溶液的测试结果,可知α-MnO纳米线的OER活性优于δ-MnO纳米片。纳米线长径比高,使活性位点充分暴露,催化效率更高。具有更高氧空位浓度和Mn含量是α-MnO拥有更优良OER活性的主要原因。(2)利用金属离子掺杂,对MnO进行微观结构调控。采用简单易行的水热法在碳纸上制备V掺杂的α-MnO纳米线阵列,并考察不同V掺杂含量修饰的α-MnO纳米线的碱性OER活性。V掺杂浓度为8%时,α-MnO纳米线催化性能得到显著提高,在1 M KOH溶液中催化活性与稳定性表现最优。V和Mn之间的协同效应和V掺杂导致氧空位和Mn含量增加是提高OER活性的主要驱动力。(3)通过材料复合,对MnO进行界面结构调控。在碳纸基底上制备了均匀生长的MnO纳米线阵列,接着采用浸渍法负载无定形的Fe OOH纳米片。在1 M KOH中,所制备的Fe OOH/MnO/CP纳米阵列作为OER电催化剂比单独的MnO和Fe OOH展现出更优良的OER活性。Fe OOH/MnO/CP复合材料的独特异质结构、Fe OOH与MnO之间的协同效应,使Fe OOH/MnO/CP作为OER电催化剂具有优异的催化活性。