| 多孔过渡金属电催化剂的制备、性能及应用 | |
| Alternative Title | 无 |
| 祁磊 | |
| Thesis Advisor | 李鑫恒 |
| 2021-11-24 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Department | OSSO国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 电解水分解,过渡金属衍生物,氢气析出反应,氧气析出反应,生物质氧化反应 |
| Abstract | 氢能作为一种高能量密度的二次能源，燃烧产物只有水，不会造成环境的污染，被认为是最为理想的清洁能源之一。通过电解水产氢，是高效制备清洁氢能的方式之一。但是，水分解过程中，电极表面由于极化作用会造成较大过电位的产生，制约了电解水产氢技术的实际应用。因此，有必要设计制备高性能的电催化剂。目前，应用最为广泛的催化剂主要是贵金属基，开发设计廉价且稳定的析氢和析氧催化剂有着十分重要的理论和应用价值。本论文采用简单易行的方法制备了一系列多孔过渡金属催化剂，对其形貌、结构和组成进行了表征，并系统地对制得的催化剂的性能进行了评估。主要的研究内容和结论分为以下三部分： （1）首先，制备了石墨烯包裹的泡沫镍电极（rGO/NF）作为载体，在石墨烯表面生长了镍-铁双金属有机框架（NiFe MOF）纳米阵列。通过磷原子的掺杂，最终得到了三维多孔镍-铁双金属磷化物/磷化石墨烯/泡沫镍（NiFeP/P-rGO/NF）电催化剂，在碱性电解质溶液（1 M KOH）和模拟海水中（1M KOH + 1 M NaCl）进行析氧测试时，均展现出了优异的析氧反应（Oxygen evolution reaction, OER）活性和稳定性。在模拟海水中，电流为35 mA cm-2，经过450 h测试，催化性能并未明显下降。 （2）设计合成了具有多孔结构的钴-铁磷化物/磷化石墨烯/泡沫镍（CoFeP/P-rGO/NF）异质结催化剂，作为析氢反应（Hydrogen evolution reaction, HER）和生物质电氧化反应（Biomass electrooxidation reaction, BEOR）的双功能电催化剂。X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy analysis, XPS）分析证实电子由P-rGO转移到了CoFeP表面，CoFeP上的电子聚集有利于优化HER反应过程中H2O和H*吸附能，而P-rGO表面的空穴聚集则有助于提高BEOR活性。当进行5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural, HMF）的转化反应时，在1.41 V的低电压下，就可将HMF催化氧化，得到产物2,5-呋喃二甲酸（2,5-furandicarboxylic acid, FDCA）。通过紫外-可见分光光度计（UV-Vis spectrophotometer, UV-Vis）和高效液相色谱（High performance liquid chromatography, HPLC）分析，FDCA的选择性为95.8 %。 （3）通过水热反应，一步法合成了石墨烯介导的富含氧空位的四氧化三钴纳米片（g- Co3O4）。通过控制水热反应的时间，实现由Co3O4颗粒到均匀六边形结构Co3O4纳米片的转变，并在反应过程中调节Co3O4中氧空位的浓度，调变催化性能。同时，通过研究无石墨烯介导的Co3O4在相同水热条件下的形貌以及性能对比，证实了石墨烯的存在对于介导均匀纳米片状结构有着至关重要的作用。通过对比，在不同水热还原时间下，石墨烯介导生成的均匀片状结构有着更为卓越的电催化OER性能，同时，氧空位的生成也对调节OER的性能起到了关键的作用。 综上所述，我们以廉价过渡金属为基础，可控合成具有多孔结构的电催化剂。设计制备了具有高稳定性以及活性的NiFeP/P-rGO/NF催化剂，用于海水的分解。通过P-rGO与CoFeP之间的电子传输，制备了具有高性能的HER催化剂。延伸至生物质氧化过程，制备高附加值的FDCA。通过石墨烯的介导作用，对Co3O4的结构进行了精准控制，实现了其对于OER性能的优化 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 理学 |
| Pages | 123 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/30042 |
| Collection | 羰基合成与选择氧化国家重点实验室（OSSO） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 祁磊. 多孔过渡金属电催化剂的制备、性能及应用[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
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