过渡金属电催化剂的制备及其电解水性能的研究

作     者：王仲瑜 

作者单位：上海电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林佳

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：NiFe基材料 离子掺杂 析氧电催化剂 电化学性能 

摘      要：作为一种新兴电化学催化剂的产生,过渡金属化合物因其催化活性好、稳定性好、含土丰富、成本低而被广泛应用于研究。这给电化学催化剂的研发带来了革命性发展的机会。目前针对于析氧反应(OER)催化剂的研究还是要从三金属或者掺杂和空位的共控制等策略出发,利用不同的制备方法制备出两种不同的OER催化剂,系统的探究了它们的电化学性能,主要研究成果如下:(1)Co-FeSe过渡金属催化剂的制备及其性能的研究采用简单的溶剂热法与搅拌法结合起来的方式,在表面缺陷增强工程中成功合成了不同浓度Co掺杂FeSe多孔结构的OER电催化剂,在FeSe金属硒化物中掺杂具有离子元素Co伴随着大量空位。离子掺杂协同空位工程改善了OER过程中的电化学性能,增强了电子传递能力和电化学比表面积,表现出较高的电催化OER性能、较小的Tafel曲线。在1 M KOH溶液中,当10 m A cm的电压下,最低的过电位达到248 m V,而塔菲尔曲线的值则也低达74.01 m V·dec以及15h后仍能保持在264 m V,远低于Ru O(340 m V)和Ir O(362m V)等贵金属的过电位,具有良好的运行寿命。在掺杂缺陷增强工程优化的作用下,Co-FeSe在经过1 M KOH溶液处理,OER的性能显著改善,具有良好的稳定性。(2)NiFe基过渡三金属催化剂的制备及其性能的研究针对于NiFe-LDH双金属催化剂在电化学性能上的优越表现,通过简单的搅拌法/共沉淀法来合成三金属催化剂。同时要通过XRD、电化学工作站等表征和测试手段证明成功制备出高质量的三金属催化剂。值得注意的是在10 m A cm的情况下NiFe Co-LDH的OER反应的过电势(276 m V),要明显比NiFe Mn-LDH(290 m V)、NiFe Cr-LDH(284 m V)以及NiFe-LDH(327 m V)更小,远低于双金属NiFe基的过电位,同时也远低于Ru O(340 m V)和Ir O(362 m V)。很明显,加入第三个金属的催化剂性能变得更好,拥有更低的过电位。其次三金属表现出的Tafel斜率都比双金属的低,其中NiFe Co-LDH仅为67.05 m V dec的最小Tafel斜率,小于NiFe Mn-LDH(89.89 m V dec)、NiFe Cr-LDH(70.19 m V dec)和NiFe-LDH(97 m V dec)的Tafel坡度,表明三金属的加入能极大的促进了NiFe的电子转移能力,使其拥有更快的OER动力学。在此基础上,我们进一步探究了Co的价态对NiFe基材料的影响,其中,NiFe Co-LDH的+2与+3给OER反应提供最低的过电位为10 m A cm分别为276 m V和250m V,NiFe Co-LDH获得了46.19 m V/dec的较小Tafel斜率,表明其性能优于NiFe Co-LDH(67.05 m V/dec)和NiFe-LDH(97 m V/dec)。这表明Co/Co掺入NiFe-LDH可以调节金属位点的电子结构,从而降低其OER过电位。在此基础上,我们进一步探究了Co的价态对NiFe基材料的影响,其中,NiFe Co-LDH的+2与+3给OER反应提供最低的过电位为10 m A cm分别为276 m V和250m V,NiFe Co-LDH获得了46.19 m V/dec的较小Tafel斜率,表明其性能优于NiFe Co-LDH(67.05 m V/dec)和NiFe-LDH(97 m V/dec)。