镍铁基复合纳米阵列的制备及其电催化析氧性能研究

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随着现代社会的不断进步,人类对能源的需求日益增加,但是目前不可再生的、燃烧产物污染严重的化石燃料仍然是人类最重要的能量来源。因此,对于清洁、可再生绿色能源的研究与开发迫在眉睫。电化学水分解技术可以有效地将太阳能、风能等可持续能源中的“弃能”转换为燃烧热值高、绿色环保的氢气能源,为能源问题提供有效解决方案。但是电解水的反应动力学较缓慢,尤其是涉及四电子转移过程的析氧半反应,各过程的能垒以及液接电阻使其具有较高的过电势,增加了能耗。因此,为使电解水技术得到进一步的实际应用,迫切需要发展相应的电解水催化剂以降低过电势。目前对于电解水反应大都使用钌基或铱基等贵金属催化剂,然而由于其高昂的价格和稀少的储量,其实际应用受到了极大限制。因此,研究相应的非贵金属基催化剂是电解水技术进行大规模应用的关键。本文以镍铁基过渡金属化合物作为主要研究对象,以碳纤维布为基底,合成了两种镍铁基复合纳米片阵列,对其形貌、物相以及复合助催化剂对电子结构的调控进行了一系列表征分析,对其电催化析氧反应活性进行了测试,具体内容如下:(1)采用电沉积法,以碳纤维布为基底上,生长了羟基氧化铁纳米片阵列,随后通过溶剂热法在羟基氧化铁纳米片外包覆一层Ni-BDC(BDC为有机配体对苯二甲酸)壳层,合成了FeOOH@Ni-BDC/CFC复合纳米片阵列。复合后样品仍为具有分级结构的纳米片状,该结构有效提升了催化剂与电解质的接触面积,提升了传质效率。具备吸电子基团的Ni-BDC的引入调控了催化剂的电子结构,降低了Fe阳离子的电子密度,增强了电催化活性。与纯相的FeOOH与Ni-BDC相比,复合样品在电流密度为10 mA cm-2处的过电势仅为270 mV,具备出色的析氧活性。同时催化剂具有良好的稳定性,复合样品在20 h以上的计时电位测试以及2000圈循环伏安测试中均保持活性稳定,同时反应前后的形貌、物相等物理化学性质并未发生明显改变。(2)通过原位部分转化的策略,采用水热法使生长在碳纤维布基底的Fe掺杂Ni(OH)2纳米片阵列部分转化为Ni-BDC,获得Fe-Ni(OH)2@Ni-BDC/CFC复合纳米片阵列。其中,Fe掺杂与Ni-BDC的部分转化对催化剂中过渡金属阳离子的电子进行吸引,降低了其电子密度,使其获得了更高价的氧化态,提升了电催化性能。与未转化及全转化样品相比,复合样品在包括线性扫描伏安曲线、Tafel斜率、电化学阻抗等一系列电化学性能中,均表现出对于析氧反应的优越性,具有优异的电化学稳定性。
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