多级微纳结构Ni/Co基电催化剂的制备及氢能转换中的应用

发布时间：2024-04-14 20:23

　　本论文围绕氢能源的制取和利用过程中所涉及的氢析出反应(HER),氧析出反应(OER)和氧还原反应(ORR)等关键反应,以提高电催化性能为目标,对材料的外在属性(微观结构)和内在属性(电子构型)进行设计调控,分别制备了Ni基HER电催化剂,NiCo基OER电催化剂和Co基ORR电催化剂。具体工作如下：(1)采用调控材料外在属性(微观结构)和内在属性(电子构型)的策略,设计并制备了一种具有高HER活性的多级微纳结构Ni/C电催化剂。为了获得具有高比表面和高分散Ni纳米颗粒的Ni/C电催化剂,采用水热法制备了NiAl-LDH纳米片阵列@氧化石墨烯(NiAl-LDH@GO)复合材料作为前驱物,并研究了其形成的关键因素和过程。通过对NiAl-LDH@GO进行多巴胺(DA)包覆和后续焙烧过程获得了一种具有多级微纳结构的氮掺杂碳@Ni-A12O3纳米片阵列@GO(N-C@Ni-A1203@GO)复合材料。该复合材料具有高的比表面积(210.5 m2·g-1),Ni纳米颗粒的粒径小和分散性好,这都有利于暴露更多的电催化活性位点。该复合材料在碱性介质中(1 mol·L-1 NaOH)具有良好的HER电催...

【文章页数】：135 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 氢析出反应(HER)
        1.2.1 碱性水系HER电化学理论
        1.2.2 贵金属电催化剂的高效利用
        1.2.3 非贵金属电催化剂的研究进展
            1.2.3.1 调变电催化剂的内在属性
            1.2.3.2 调变电催化剂的外在属性
    1.3 氧析出反应(OER)
        1.3.1 碱性水系OER电化学理论
        1.3.2 贵金属电催化剂的高效利用
        1.3.3 非贵金属电催化剂的研究进展
            1.3.3.1 过渡金属氧化物
            1.3.3.2 过渡金属氢氧化物
            1.3.3.3 钙钛矿型氧化物
    1.4 氧还原反应(ORR)
        1.4.1 ORR电化学理论
        1.4.2 贵金属电催化剂的高效利用
        1.4.3 非贵金属电催化剂的研究进展
            1.4.3.1 过渡金属及其碳复合材料
            1.4.3.2 过渡金属氧化物及其碳复合材料
            1.4.3.3 过渡金属硫化物及其碳复合材料
            1.4.3.4 过渡金属大环化合物及其碳复合材料
            1.4.3.5 碳材料
    1.5 论文选题的目的及意义
    1.6 论文研究内容
第二章 实验部分
    2.1 化学试剂
    2.2 实验仪器
    2.3 分析表征
        2.3.1 结构表征
        2.3.2 电催化性能表征
第三章 氮掺杂碳@Ni-Al₂O₃纳米片阵列@氧化石墨烯的制备及氢析出电催化性能研究
    3.1 引言
    3.2 实验方法
        3.2.1 GO的制备
        3.2.2 NiAl-LDH@GO复合材料的制备
        3.2.3 N-C@Ni-Al₂O₃@GO,Ni-Al₂O₃@GO和N-C@GO的制备
        3.2.4 N-C@Ni-Al₂O₃@GO,Ni-Al₂O₃@GO和N-C@GO的HER电催化性能测试
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 前驱物NiAl-LDH纳米片阵列@GO的生长机理研究
            3.3.1.1 G_iteO氧化程度和盐离子浓度对产物形貌的影响
            3.3.1.2 探究NiAl-LDH纳米片阵列@GO的生长过程及机理
        3.3.2 P123&PDA@NNiAl-LDH@GO的结构表征
        3.3.3 N-C@Ni-Al₂O₃@GO,Ni-Al₂O₃@GO和N-C@GO的结构表征
            3.3.3.1 XRD表征
            3.3.3.2 FESEM表征
            3.3.3.3 HRTEM表征
            3.3.3.4 ICP-AES测试
            3.3.3.5 低温N₂吸/脱附测试
            3.3.3.6 XPS表征
        3.3.4 HER电催化性能研究及构效关系分析
    3.4 本章小结
第四章 空心海胆状NiCo₂O₄的制备及氧析出电催化性能研究
    4.1 引言
    4.2 实验方法
        4.2.1 聚苯乙烯小球模板的制备
        4.2.2 P-HU-NiCo₂O₄和P-NA-NiCo₂O₄的制备
        4.2.3 HU-NiCo₂O₄和NA-NiCo₂O₄的制备
        4.2.4 HU-NiCo₂O₄和NA-NiCo₂O₄的OER电催化性能测试
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 P-HU-NiCo₂O₄和P-NA-NiCo₂O₄的结构表征
            4.3.1.1 XRD表征
            4.3.1.2 FESEM和HRTEM表征
        4.3.2 HU-NiCo₂O₄和NA-NiCo₂O₄的结构表征
            4.3.2.1 XRD表征
            4.3.2.2 FESEM和HRTEM表征
            4.3.2.3 低温N₂吸/脱附测试
            4.3.2.4 XPS表征
        4.3.3 OER电催化性能研究及构效关系分析
    4.4 本章小结
第五章 Co₉S₈/SN-C的绿色制备及氧还原电催化性能研究
    5.1 引言
    5.2 实验方法
        5.2.1 Co₉S₈/SN-C复合材料的制备
        5.2.2 Ni₉S₈/SN-C,Ni₄S₃/SN-C,MnS/SN-C和ZnS/SN-C的制备
        5.2.3 Co₉S₈/SN-C的ORR电催化性能测试
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 前驱物Co-[MA]₂的组成和结构表征
            5.3.1.1 有机元素分析
            5.3.1.2 TG分析
            5.3.1.3 XPS表征
            5.3.1.4 XRD和FESEM表征
        5.3.2 不同焙烧温度Co₉S₈/SN-C复合材料的组成和结构表征
            5.3.2.1 XRD表征
            5.3.2.2 有机元素分析
            5.3.2.3 TG分析和ICP-AEC测试
            5.3.2.4 XPS表征
            5.3.2.5 FESEM表征
            5.3.2.6 HRTEM表征
            5.3.2.7 低温N₂吸/脱附测试
        5.3.3 0.1 mol·L_-1KOH介质中的ORR电催化性能研究
        5.3.4 0.5 mol·L_-1H₂SO₄介质中的ORR电催化性能研究
        5.3.5 0.1 mol·L_-1PBS介质中的ORR电催化性能研究
        5.3.6 Ni₉S₈/SN-C,Ni₄S₃/SN-C,MnS/SN-C和ZnS/SN-C的XRD表征
    5.4 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 主要创新点
    6.3 展望
参考文献
致谢
研究成果及发表的学术论文
作者和导师简介
附件



本文编号：3955172