金修飾超薄多孔Co3O4納米片的制備與電催化析氧性能研究.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題亟待解決，電解水制備氫能被認(rèn)為是解決該問(wèn)題的有效方式之一，可以很好的實(shí)現(xiàn)能源存儲(chǔ)以及滿足清潔能源需求，但是電解水陽(yáng)極析氧反應(yīng)(OER)涉及復(fù)雜的四電子轉(zhuǎn)移，并且形成O-O鍵過(guò)程需要克服很大的勢(shì)壘，因此需要很高的過(guò)電勢(shì)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。動(dòng)力學(xué)緩慢的陽(yáng)極析氧反應(yīng)被認(rèn)為是整個(gè)電解水過(guò)程中的限制步驟。
　　傳統(tǒng)的貴金屬催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性，例如RuO2和IrO2，但是由于存儲(chǔ)量稀少，價(jià)格昂貴以及穩(wěn)定性差等問(wèn)題限制了其

2、商業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。研究人員開(kāi)始尋求可以替代貴金屬的高效廉價(jià)催化劑。尖晶石型Co3O4存儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定同時(shí)也具有不錯(cuò)的催化活性，被認(rèn)為是很有發(fā)展?jié)摿Φ拇呋牧?。與此同時(shí)，二維材料的興起也給催化劑帶來(lái)新的機(jī)遇。高暴露的表面原子以及超大的比表面積為催化反應(yīng)提供大量的活性位點(diǎn)。具有單胞甚至原子級(jí)別厚度的超薄納米片，相鄰片層原子之間的束縛弱化，晶格更容易發(fā)生畸變和扭曲，降低催化反應(yīng)所需要的能量，從而提高催化活性。另一方面，具有超大比表

3、面積的超薄片是理想的載體，高暴露的表面原子更有利于負(fù)載物與載體之間的電子相互作用。通過(guò)表面修飾等手段可以有效的調(diào)控超薄片本征的電子結(jié)構(gòu)，更能從原子角度分析電子結(jié)構(gòu)與催化性能之間的關(guān)系。基于上述背景，以設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的電解水析氧催化劑為中心，論文分為以下四章內(nèi)容:
　　第一章:系統(tǒng)介紹二維超薄材料的研究進(jìn)展。首先介紹了研究背景，然后系統(tǒng)介紹了超薄片的分類和合成方法，以及超薄片在電催化領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。闡述本文的研究?jī)?nèi)容以及研究意義。

4、r>　　第二章:采用溶劑熱法和后續(xù)的熱處理，制備厚度為三個(gè)單胞大小的超薄多孔Co3O4納米片，表征了超薄片的形貌結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)析氧性能測(cè)試。結(jié)果表明超薄多孔Co3O4納米片的OER活性遠(yuǎn)大于相應(yīng)的塊材樣品，過(guò)電勢(shì)為0.5V時(shí)，超薄片的電流達(dá)到9.97mA cm-2，比塊材Co3O4(0.73mA cm-2)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出13倍之多。
　　第三章:為了進(jìn)一步提升Co3O4的電解水析氧性能以滿足工業(yè)需求，在超薄片的基礎(chǔ)上進(jìn)行納米Au修

5、飾，調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)從而改善性能。分別采用浸漬法和機(jī)械攪拌法成功制備Co3O4/Au納米片，并制備負(fù)載量不同的一系列樣品。不同方法制備的Co3O4/Au納米片的電解水析氧性能都有明顯提升。機(jī)械攪拌制備的Co3O4/Au(15mg/25ml)納米片表現(xiàn)出最好的電化學(xué)活性，在0.5V過(guò)電勢(shì)下，相比較未修飾的納米片，Co3O4/Au納米片電流密度從9.97mA cm-2增加到14.76mA cm-2。XPS，Raman以及X射線近邊吸收結(jié)構(gòu)譜(