【摘 要】
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电化学水分解作为重要的制氢技术之一,阳极发生析氧反应(OER)需要克服的能垒较高,严重阻碍了电解水的有效进行。RuO2和IrO2作为当前最有效率的析氧反应电催化剂,其价格昂贵且储量有限,导致工业化生产困难重重。金属有机骨架材料(MOFs)具有密集且均匀的金属位点、潜在的空隙,在化学传感、催化、药物传递等领域表现出极大的应用潜力。过渡金属基MOFs作为一类活性位点丰富、结构形貌多样、价格低廉的材料在
【基金项目】
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国家自然科学基金; 陕西省自然科学基金; 中央高校基础研究基金; 西安市科技计划;
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电化学水分解作为重要的制氢技术之一,阳极发生析氧反应(OER)需要克服的能垒较高,严重阻碍了电解水的有效进行。RuO2和IrO2作为当前最有效率的析氧反应电催化剂,其价格昂贵且储量有限,导致工业化生产困难重重。金属有机骨架材料(MOFs)具有密集且均匀的金属位点、潜在的空隙,在化学传感、催化、药物传递等领域表现出极大的应用潜力。过渡金属基MOFs作为一类活性位点丰富、结构形貌多样、价格低廉的材料在电催化领域备受关注。本文以Co(Ⅱ)或Ni(Ⅱ)作为金属源,在不同合成(离子热/水热)条件下,制备系列过渡金属MOFs,通过比较其电催化性能,观察合成方法对过渡金属基MOFs电催化性能的影响。一.以Co(Ⅱ)或Ni(Ⅱ)为金属源,在离子热条件下与4,4’-联苯二甲酸(H2BPDC)配位,合成了三种结构新颖、异质同构的三维MOFs材料([RMI]2[M4.5(BPDC)3.5(HBPDC)2(OAc)2](M=Co,R=E,(1);M=Co,R=P,(2);M=Ni,R=P,(3))。通过氨化反应将氨基接枝到金纳米颗粒表面,并与化合物1-3复合,制得复合材料MOF@AuNPs-NH2。将复合材料作为H2O2还原过程的催化剂,确定出化合物1具有较好的催化性能。并以单独的化合物1作为催化剂,在0.1 M NaOH中进行了检测H2O2的实验。结果表明,化合物1在pH=13的碱溶液中具有电催化H2O2还原的潜力。二.化合物1在OER领域的应用探索。化合物1在水中稳定性不佳,因此本文从后处理制备MOFs衍生材料和合成过程提升催化能力两方面入手,采用无氧烧结、中温磷化、静电纺丝、掺杂异质金属、金属氧化物作为自牺牲模板或自然沉降法制备自支撑电极等方式尝试将化合物1制备成催化性能优异、稳定性较高的析氧反应电催化剂。探究结果表明,微米级六面体的化合物1尺寸较大,难以嵌入一维聚丙烯腈纳米纤维内部制成含Co的碳基材料,高温下结构框架破坏会发生团聚。合成过程中,由于离子液体的粘度较大,不利于配体去质子化的进行,难以利用金属氧化物作为金属源。因此化合物1在OER领域应用的影响因素较多。三.采用水热合成法,以Co(Ⅱ)或Ni(Ⅱ)作为金属源,以2,6-萘二羧酸钾盐(K2NDC)为配体合成了一系列已知结构的CoNi-MOFs材料(Co(NDC)(H2O)4,Ni(NDC)(H2O)4,Co/Ni(NDC)(H2O)4)。利用聚苯胺(PANI)所含-NH2 与 MOFs 中配体所含-COO-之间的氢键作用,将MOFs负载于包覆有PANI的泡沫镍基底上,制得用于催化OER的自支撑电极。通过优化MOFs的合成条件,最终得到高效OER电催化剂(CoNi-NDC/PANI-NF)。在1.0 MKOH中催化析氧反应时,电流密度达到10 mA/cm2所需的过电势为323 mV,Tafel斜率为73.3 mV/dec,且具有优异的重复性和稳定性。
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