类水滑石基镍铁复合物电催化剂材料的制备及其乙醇氧化性能

作     者：王梦祺 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张法智

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：层状双金属氢氧化物 部分还原 乙醇氧化电催化 复合材料 

摘      要：化石燃料的燃烧产生了大量的二氧化碳,是造成全球变暖的原因之一;其不完全燃烧生成的甲烷也会严重影响空气质量。应对气候变化是可持续发展议程中的重大任务之一。直接乙醇燃料电池（Direct Ethanol Fuel Cell,DEFC）具有能量转换效率高、污染小、操作简便、良好的持续性等优点,作为一种可再生能源逐渐引起人们的关注。作为DEFC的阳极反应,乙醇氧化反应动力学缓慢,影响了燃料电池的实际性能。近年来,镍基水滑石在低成本的前提下同时拥有较好的电催化乙醇氧化性能,但是其较低的电子传导率限制了该材料在燃料电池中的实际应用。 本论文使用NiFe-LDHs作为前驱体,分别采用碳掺杂和液相部分还原法制备了两种镍铁基复合物电催化剂材料Ni3Fe/NiFe Ox/C和Ni/Fe Ni/LDHs/Fe3O4,尝试通过促进材料的电子传输性能来提高乙醇电催化氧化活性。论文采用多种测试手段分析了材料的组成、结构和形貌,并探讨了通过材料各组分之间的协同来提高电催化性能的作用机制。主要的研究内容与结果如下: （1）论文首先采用水热法制备了NiFe-LDHs前驱体,然后在LDHs表面包覆葡萄糖,经过在氮气气氛焙烧制备出Ni3Fe/NiFe Ox/C复合材料。发现,焙烧温度影响材料的组成与结构,随着焙烧温度的升高,生成了Ni3Fe与NiFe2O4晶相。同时,Ni、Fe单质也随之被还原出来。推测在高温下C具有较强的还原性,促进了金属单质材料的还原;另外,C的存在也抑制了纳米颗粒的团聚。与NiFe-LDHs前驱体和其他焙烧温度制备的样品相比,500℃焙烧制备的Ni3Fe/NiFe Ox/C复合材料具有较强的乙醇电催化活性。这归因于催化剂样品中Ni3Fe、NiFe Ox和C之间的协同作用。C在高温下具有较高的还原性,将部分Ni2+、Fe3+还原成Ni3Fe,C与生成的Ni3Fe均具有良好的导电性。同时,NiFe Ox中Fe2+与Fe3+的价态跳跃也可能提高了该材料的电子传输性能。 （2）论文采用乙二醇作为还原剂,通过液相部分还原的方法将NiFe-LDHs前驱体还原制备得到了Ni/Fe Ni/LDHs/Fe3O4复合材料。考察了乙二醇还原处理时间对生成Ni/Fe Ni/LDHs/Fe3O4复合材料的影响,并研究了不同还原时间制备的复合材料的电催化乙醇氧化反应性能。研究发现,还原反应10 h制备的复合材料具有最强的催化活性。还原时间过短制备的催化剂材料存在着大量的Ni电催化活性位点,这种催化剂材料具有较低的导电性,导致电催化乙醇氧化性能较差;然而,过长还原时间制备得到的Ni/Fe Ni/Fe3O4复合材料,材料的Ni电催化活性位点较少,其电催化乙醇氧化性能也不高。对于还原反应10 h制备得到的Ni/Fe Ni/LDHs/Fe3O4复合材料,水滑石层板并未坍塌,层板上尚存在着相当多的Ni活性位点;同时,部分还原生成的Ni和Fe Ni金属相具有良好的导电性能,由此,Ni/Fe Ni/LDHs/Fe3O4材料中Ni活性位点与导电性增强相辅相成,具有较高的电催化反应活性。