镍铁基三维析氧电极的设计构筑及其电催化性能研究

摘要

化石燃料作为目前能源的主体在地球上储量有限，其燃烧所带来的环境污染问题日益严峻，因此开发清洁可再生能源受到了科学家们的广泛关注，其中氢能作为最理想的绿色能源备受青睐。在众多制氢工艺中，电解水制氢前景广阔，因其具有原材料丰富、制备工艺过程简单和制备的氢气纯度高等优点。但是电解水制氢过程中能耗较大，成本很高，严重阻碍了其广泛应用。电解水过程中的析氧反应涉及多步质子-电子的转移，会形成多个中间体，致使其是一个缓慢的动力学过程。因此开发具有高电催化活性、低过电势、原材料丰富、长寿命的阳极析氧电极材料显得格外重要。
　　本论文中，通过可控合成镍（铁）基纳米片前驱体，结合水热硒化的方法获得多孔镍（铁）硒化物纳米片三维析氧电极，对合成的多孔镍（铁）硒化物纳米片及镍（铁）基纳米片前驱体三维析氧电极进行电催化析氧性能测试，探究了铁元素的引入和硒化对电催化性能的影响。针对电极材料生长基板的问题，利用“还原氧化石墨烯/泡沫镍（rGO/Ni）”复合结构作为基板，在其表面原位生长镍铁基层状双氢氧化物（NiFe-LDH），并研究了该电极的析氧活性。本文主要研究成果如下：
　　（1）多孔镍（铁）硒化物纳米片及其前驱体的可控制备。通过水和乙二醇的混合溶剂热法，优化 NH4F、Ni/Fe比例和溶剂成分，制备了生长在碳纤维布上的超薄、均一镍（铁）基纳米片前驱体。进一步通过对前驱体的水热硒化，制得多孔镍（铁）硒化物纳米片三维电极，对材料的形貌、物相、元素含量等进行表征，确定镍（铁）硒化物纳米片的组成分别为NiSe2和(Ni0.75Fe0.25)Se2。
　　（2）镍（铁）硒化物三维析氧电极的电催化性能测试。研究发现多孔镍铁硒化物（(Ni0.75Fe0.25)Se2）纳米片三维电极的催化活性最为优异：35 mA cm-2电流密度下过电势仅为255 mV，塔菲尔斜率可达47.2 mV dec-1。硒化处理产生的多孔结构可大幅增加电极与电解液的有效接触面积，且在增强电子电导的同时能够促进氧气析出，从而提升电极催化活性。
　　（3）基于 rGO/Ni基板的三维析氧电极及其优异析氧活性的获得。通过简单的水浴方法设计构筑rGO/Ni基板，并采用混合溶剂热法在其上制备NiFe-LDH纳米片，该电极显示出卓越的析氧性能：35 mA cm-2电流密度下过电势仅为249 mV，塔菲尔斜率可达52.6 mV dec-1。rGO作为高效的电子传输网络，不仅提升了催化反应动力学，还加固了NiFe-LDH纳米片的结合力，增强了电极的稳定性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 背景概述

1.2 氢能制备技术

1.3 析氢、析氧反应机理

1.4 析氧催化材料研究现状

1.5 本论文研究内容

第2章 实验原料、仪器及表征测试方法

2.1 实验原材料和仪器

2.2 结构与性能表征方法

第3章 镍铁基三维析氧电极的制备与结构表征

3.1 引言

3.2 碳纤维布支撑镍（铁）硒化物三维析氧电极制备与结构表征

3.3 rGO复合泡沫镍支撑NiFe-LDH三维析氧电极制备与结构表征

3.4 小结

第4章 镍铁基三维析氧电极电催化性能表征

4.1 多孔(Ni0.75Fe0.25)Se2纳米片三维析氧电极电催化性能

4.2 rGO/Ni支撑NiFe-LDH三维析氧电极电催化性能表征

4.3 小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录A 硕士期间已发表和即将发表的论文

附录B 硕士期间已申请的专利

附录C硕士学习期间参加的科研项目