镍铁层状双氢氧化物的制备、改性及电化学性能研究

作     者：韩杨兵 

作者单位：成都大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李涛;张博

授予年度：2024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：层状双氢氧化物 析氧反应 甲醇氧化反应 

摘      要：层状双氢氧化物（LDH）由于具有高比表面积、稳定的微观结构以及活性成分易调节等特点,已被广泛应用于电催化领域。在众多LDH中,NiFe-LDH表现出优异的电催化性能。本论文制备了NiFe-LDH作为析氧反应（OER）电催化剂,通过成分调控和过渡金属掺杂进一步优化了NiFe-LDH的OER催化活性和耐久性。此外,将优化后的NiFe-LDH作为基底负载Pd用于催化甲醇氧化反应（MOR）,进一步探究了Pd与NiFe-LDH在甲醇氧化反应（MOR）催化过程中的协同效应。 为获得具有优异OER催化性能的LDH,本论文采用水热法制备了NiFe-x（x=2-8）系列OER催化剂,优选得到NiFe-4。然后将过渡金属M（M=Zn、Cu、Al、Cr和Mn）引入NiFe-4,得到具有最佳OER催化性能的NiFeZn-4。随着M的引入,M与NiFe-LDH之间的协同作用能促进OER中间体（如*OH、*O和*OOH等）的转化过程,从而有效提升OER反应速率。其中,NiFeZn-4表现出低OER过电位(204 m V@10 m A cm)和高转换频率(TOF,0.572 s)。同时,随着活性成分的调控,所获得的NiFeZn-4表现出良好的OER耐久性。经过长达56小时的耐久性测试后,OER活性损失可以忽略不计。在4500次周期性加速LSV测试中,由于自适应效应,NiFeZn-4的OER过电位降低了约26%。 本论文进一步将Pd引入NiFe-LDH中,制备得到Pd/NiFe-LDH（x=1～9）中作为MOR催化剂。在MOR催化过程中,NiFe-LDH能在低电位下促进水分解,为OH的生成提供有效平台,促进MOR中间产物CO的剥离过程(2OH+CO→CO+HO),从而缓解CO对Pd的毒害作用。实验结果表明,Pd/NiFe-LDH呈三维层状结构,具有良好的结构稳定性。其电化学活性表面积为187 cm,为Pd的附着提供了丰富的附着位点。此外,Pd/NiFe-LDH具有优异的电子传输能力,其电化学阻抗仅为0.70Ω。经过成分调控,Pd/NiFe-LDH的MOR质量活性达到2665.3m A mg,经历4500次CV-AST循环后,其MOR活性损失仅为25%。此外,Pd/NiFe-LDH在经历40小时的CA测试后,可以通过CV测试被重新激活,这可以归因于Pd和NiFe-LDH之间的协同效应有效缓解了Pd中毒现象,从而提升了催化剂的MOR耐久性。