【摘 要】
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能源和环境是当前时代面临的最重要的问题,全世界对能源的需求一直在快速增长。然而,到目前为止,大部分的能源来自化石燃料,这些化石燃料在地球上储量有限而且不可持续。可再生能源的能源转换可以显著减少人类对化石燃料的依赖,被认为是解决能源问题的一种完美方案。在已知的能源系统中电化学反应,燃料电池,水分解和金属空气电池是最简单,最有效和最可靠的方法。然而,作为水分解反应重要一环的析氧反应(OER)却因动力学
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能源和环境是当前时代面临的最重要的问题,全世界对能源的需求一直在快速增长。然而,到目前为止,大部分的能源来自化石燃料,这些化石燃料在地球上储量有限而且不可持续。可再生能源的能源转换可以显著减少人类对化石燃料的依赖,被认为是解决能源问题的一种完美方案。在已知的能源系统中电化学反应,燃料电池,水分解和金属空气电池是最简单,最有效和最可靠的方法。然而,作为水分解反应重要一环的析氧反应(OER)却因动力学反应缓慢,阻碍了全球范围内可持续能源技术的发展。铂族金属Ir和Ru作为OER催化剂,虽然具有较高活性但其应用仍受限于高成本和低储备的缺点。因此,开发一种低成本、储备丰富,而且催化活性相当于或优于铂族金属的OER电催化剂变得尤为重要。在此背景下,一类具有固有纳米孔(通常孔径小于100 nm)的多孔材料,即金属—有机骨架(MOF),为设计和制备高效OER催化剂带来了新的希望。尤其是二维MOF纳米片因其表面积大,表面暴露的活性位点比三维MOF材料更多,其电化学催化性能更加引人注目。本论文以一种二维MOF纳米片CuBDC为出发点,通过钴镍混合离子溶液浸泡制备CoNi-CuBDC,并探究CoNi-CuBDC的OER催化性能,致力于开发一种制作简单、经济、性能良好的OER催化剂。主要研究内容如下:1.使用超声喷雾法、搅拌滴加法合成CuBDC纳米片,使用水热合成法制备块状CuBDC,然后利用SEM和XRD测试CuBDC纳米片和块状CuBDC的形貌和晶体结构。用以上述合成的CuBDC为模板,通过钴镍离子混合溶液浸泡合成 CoNi-CuBDC。利用 SEM、XRD、XPS、FT-IR 和 TG 测试技术分别对 CoNi-CuBDC的形貌、晶体结构、表面离子组成、热稳定性进行了表征和分析。2.将CoNi-CuBDC作为OER反应电催化剂。实验主要探究制备CoNi-CuBDC所涉及的金属前驱体种类、反应物浓度、浸泡时间、钴镍离子比例、滴加层数等条件对CoNi-CuBDC催化OER反应活性的影响。实验设置的金属前驱体分别为乙酸镍、乙酸钴、氯化镍、氯化钴,设置反应浓度为2.5、5、10、15、20mmol-L-1,设置浸泡时间为10、30、60、120、240min,设置钴镍离子比例从1:0至1:4以及0:1至4:1,滴加层数为1、2、3、4层。实验结果表明选用乙酸镍(10 mmol-L-1)、乙酸钴(20 mmol·L-1)作为金属前驱体,浸泡时间为60 min,滴加层数为4层时,对应最佳的OER催化效果。其过电位为320mV,塔菲斜率为74.9mV/dec。3.实验探究块状CuBDC与片状CuBDC作为CoNi-CuBDC模板对OER催化活性的影响。实验发现使用块状CuBDC作为模板时,所制备的CoNi-CuBDC并不具备OER催化活性,说明纳米片状的结构对OER催化活性起到促进作用。
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