镍铁基层状氢氧化物电催化剂可控制备及其析氧性能研究

作     者：李阳 

作者单位：郑州航空工业管理学院 

学位级别：硕士

导师姓名：崔节虎

授予年度：2024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：电催化分解水 水热合成 NiFe-LDH 析氧性能 掺杂 

摘      要：随着化石燃料能源的消耗量不断增加导致了能源危机以及各种环境污染问题。因此人们就迫切的需要开发可再生和可持续的清洁能源。氢能源作为新世纪最清洁的能源之一,目前获得氢气最方便、最有效的方法之一是电解水,然而电解水析氧反应的四电子转移过程造成的滞后动力学严重限制了制氢效率,成为整个电催化分解过程的瓶颈。因此,迫切的需要开发高性能的析氧催化剂来降低过电势,加速反应动力学,促进整体水分解效率。 本文基于合理设计和开发电催化剂,通过简单的水热合成法成功制备出一种过渡金属元素类水滑石电催化剂,通过采用引入导电载体（碳纳米管,CNTs）负载和钌原子掺杂两种策略来提高NiFe-LDH催化剂活性,用于高效的电催化析氧反应。本论文主要从以下三个体系解析设计高效催化剂的设计思路。 （1）离子竞争反应策略对NiFe-LDH高效析氧催化剂的调控机制研究 以三乙醇胺为碱源辅助水热法合成一种镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂。从金属比例、水热合成时间、三乙醇胺添加量三个方面进行了调控。结果表明:水热合成时间对NiFe-LDH的结晶性能有一定的影响;三乙醇胺对NiFe-LDH的形貌具有一定的调控作用,4 m L的三乙醇胺添加量更有利于合成NiFe-LDH纳米片,催化剂具有更多的比表面积,为析氧反应提供更多的活性位点;揭示了金属阳离子Ni2+和Fe3+之间的离子竞争使得NiFe-LDH具有优异的OER活性。NiFe-LDH-12在1 M KOH溶液中表现出优异的OER性能和长久稳定性,在10 m A cm-2电流密度下过电势仅为259 m V,双电层电容值3.9 m F cm-2,并具有较低的Tafel斜率(37.0 m V dec-1),电荷转移电阻也仅为10.1Ω。此外,NiFe-LDH催化剂表现出优异的稳定性,在0.01 A的电流下,经过16 h的计时电位循环稳定性测试后,电位衰减不明显。 （2）构建分级结构NiFe-LDH/CNTs在碱性条件电催化析氧性能研究 尽管NiFe-LDH具有优异的电催化性能,但是镍铁基层状氢氧化物的本征活性依然不够高,形成的氢氧物种导致催化剂的导电性下降。从提高NiFe-LDH催化剂的本征活性出发,以碳纳米管为基底,利用水热法在碳纳米管上生长NiFe-LDH纳米片,从而得到了NiFe-LDH/CNTs催化剂。CNTs的加入使得NiFe-LDH纳米片减少堆叠,同时CNTs优异的导电性也使得NiFe-LDH的电催化性能得到改善,其双电层电容值提高到两倍(8.1 m F cm-2),Tafel斜率也明显的减小为23.7 m V dec-1。经过计时电位法20 h的稳定性测试,电位没有明显的衰减,证明了NiFe-LDH/CNTs良好的稳定性。 （3）Ru修饰NiFe-LDH/CNTs在碱性条件电催化析氧性能研究 为进一步增强NiFe-LDH的催化活性,引入高活性的Ru负载在NiFe-LDH,增强催化活性的同时增加活性位点数目。由于Ru的功函数与NiFe-LDH的差异,导致Ru向NiFe-LDH转移电子,有效调节其电子结构。实验结果表明,Ru的加入明显改善了催化剂的OER性能。在1 M KOH溶液中,在电流密度为10 m A cm-2处,Ru-NiFe-LDH/C催化剂的OER过电势仅为225 m V,双电层电容(Cdl)为8.8m F cm-2,表明Ru-NiFe-LDH/C具有较大的电化学活性表面积（ECSA）,电荷转移电阻为9.9Ω,证明其电荷转移速率较快。经过计时电位法25 h的稳定性测试,电位没有明显的衰减,表明Ru-NiFe-LDH/C具有优异的催化活性。