钼酸钴基复合电催化剂的制备及其电催化分解水性能研究

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钼酸钴(CoMoO4)作为一种典型的过渡金属氧化物,具有晶体结构稳定、氧化还原能力强、导电性好等优点,在电催化分解水领域有着广阔的应用前景。但是,由于活性位点利用率低、循环周期寿命不长等因素的制约,很大程度上限制了其进一步的实际应用。为了弥补上述缺陷,本论文以CoMoO4纳米材料为主体,通过负载不同的载体来构筑新型高效的复合电催化剂,利用不同电极材料协同催化的优势来降低分解水反应动力学能垒、增大比表面积、提高稳定性,进而改善电催化活性。采用多种表征手段对所制备的复合电催化剂的结构组成、微观形貌、电催化活性及稳定性进行分析,并进一步对其电催化分解水过程进行探讨。具体研究内容如下:1.以泡沫镍为载体,利用水热-电沉积法成功制备了CoMoO4-Ni(OH)2纳米片阵列复合电催化剂,并通过调节电沉积时间来控制Ni(OH)2的负载量,以寻求最佳的复合比例。对所制备的CoMoO4-Ni(OH)2样品进行XRD、XPS、SEM、TEM、BET等表征,结果表明,CoMoO4与Ni(OH)2之间存在着较强的界面作用。在1 M KOH溶液中对CoMoO4-Ni(OH)2进行电催化析氧(OER)性能测试,实验结果显示,当在CoMoO4表面沉积Ni(OH)2为400s时复合比例最佳,具有最好的OER活性,当电流密度为100 mA cm-2时其过电位仅有349 mV,且稳定性较好,法拉第效率接近100%。对CoMoO4-Ni(OH)2的OER机理进行了探讨,发现Ni2+和Co2+在氧化过程中产生的协同效应对析氧活性的提高起着关键作用。2.通过水热-煅烧处理,将CoMoO4与ZIF-67复合,设计构建了一种将CoO/Co3O4(简写为CoOx)纳米颗粒负载在CoMoO4纳米棒(简写为CMO)上的三元复合材料(简写为CoOx/CMO)。通过XRD、XPS、BET、SEM和TEM等表征对所制备的样品进行分析,并在1 M KOH溶液研究了其OER性能。研究发现,CoOx与CMO的复合增大了界面的比表面积,提供了更多的活性位点,加快了电子转移速率,因而极大地提高了CoOx/CMO的OER催化活性。当电流密度为10 mA cm-2时其过电位仅有253 mV,且稳定性较好。CoOx/CMO的OER催化过程分析表明,其优异的OER性能主要归因于CMO和钴氧化物之间良好的界面耦合作用,促进了电荷转移和反应物运输,加速了反应进程,进而提高了CoOx/CMO的OER催化活性。3.以泡沫镍为载体、CoMoO4纳米片阵列为主体,通过一步磷化法将其转化为CoP3/CoMoP/NF纳米异质结构。利用XRD、XPS、SEM、TEM、BET等表征手段分析了所制样品的晶相结构及微观形貌,并发现CoP3与CoMoP之间存在着较强的界面相互作用。对CoP3/CoMoP/NF在不同pH介质条件下的电催化析氢(HER)性能进行了探究,发现其在酸性介质中性能最佳,当电流密度为10mA cm-2时过电位仅为125 mV;且在中性和碱性介质中也表现出较高的HER活性和稳定性。电催化性能的探讨中发现,大量的CoP3纳米颗粒嵌入CoMoP纳米薄片中,形成了丰富的异质结构界面,提供了更多的活性位点,改善了导电性能,从而提高了催化效率。
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