過(guò)渡金屬氧化物三維分級(jí)納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑及其電催化性能研究.pdf

1、能源需求的增加使有限的化石燃料枯竭的負(fù)擔(dān)變得更加沉重，為了尋找環(huán)保、可再生的綠色能源，克服未來(lái)能源的焦慮，政府鼓勵(lì)科學(xué)家們尋找新的可代替能源。氫作為一種新型綠色資源，具有零碳排放、能量密度高以及高能量轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn)。電解水制氫是零碳排放、大規(guī)模產(chǎn)生氫的重要技術(shù)之一。但是高純度、大規(guī)模地生產(chǎn)氫具有一定難度，因?yàn)殡娊馑磻?yīng)實(shí)際需要一個(gè)較高的電位，約為1.8-2V。這明顯大于理論分解電壓1.23V。這個(gè)電勢(shì)電位與催化活性相關(guān)，被用來(lái)在陽(yáng)極電極

2、發(fā)生析氧反應(yīng)，在陰極發(fā)生析氫反應(yīng)。因此，活性好、效率高的催化劑必須要在合理的電流密度下，減少電極過(guò)電位以確保電解水反應(yīng)過(guò)程變得更節(jié)能。
　　到目前為止，對(duì)析氫反應(yīng)來(lái)說(shuō)，鉑及類(lèi)以鉑為基礎(chǔ)的材料是最好的催化劑。Pt在微不足道的過(guò)電位下表現(xiàn)出較高的陰極電流密度。然而，貴金屬及其化合物屬于稀缺性資源，并且成本較高，這限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。大多數(shù)的以非貴金屬氧化物為基礎(chǔ)的電極材料迄今少有作為析氫和析氧的雙功能催化，高活性催化劑的報(bào)道。這是因

3、為同一電解質(zhì)環(huán)境下，不適當(dāng)?shù)木w結(jié)構(gòu)會(huì)使電極材料導(dǎo)電性降低，從而阻礙其在全水分解過(guò)程中的適用性。因此，設(shè)計(jì)并構(gòu)筑具有具有特定形貌結(jié)構(gòu)的高活性、高耐用性、價(jià)格低廉的非貴金屬催化劑成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。
　　本文結(jié)合當(dāng)下非貴金屬催化劑的研究現(xiàn)狀，主要做了以下兩方面的進(jìn)展工作:
　　(1)構(gòu)筑了一種新型三維Cu2O@MnO2核/殼納米線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)電極。基于三維網(wǎng)狀導(dǎo)電基底泡沫銅，在其表面生長(zhǎng)Cu2O納米線(xiàn)陣列作為核芯材料，MnO2納米

4、片作為包覆層材料。性能優(yōu)異的的Cu2O@MnO2NW/NS陣列具有很高的催化活性和很強(qiáng)的耐久性。在電流密度為10mA/cm2時(shí)，過(guò)電位為132mV（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)析氫電位）。這是純錳氧化物/氫氧化物催化劑活性應(yīng)用于的析氫反應(yīng)的第一個(gè)示范。此外，仔細(xì)分析和表征后，我們發(fā)現(xiàn)Cu2O@MnO2NW/NS高活性主要來(lái)源于水鈉錳礦型MnO2（δ-MnO2）到Mn(OH)2的演變。在電催化反應(yīng)中，Mn(OH)2的是高度活躍的析氫催化劑。這些研究結(jié)果將為

5、其他錳基催化劑的探索提供了新的試驗(yàn)與理論依據(jù)。
　　(2)構(gòu)筑一種簡(jiǎn)便的方法在泡沫鎳表面原位制備活性高、多層次結(jié)構(gòu)的NiCo2O4納米線(xiàn)@NiCoO2納米線(xiàn)樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)?；谌S網(wǎng)狀導(dǎo)電基底泡沫鎳，得到的電極材料表現(xiàn)出分層的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，其中NiCo2O4納米線(xiàn)為骨干，NiCoO2納米線(xiàn)的分支。所制備的NiCo2O4@NiCoO2NW/NW納米材料具有顯著的催化活性和良好的耐久性。在1M KOH電解液中，當(dāng)電流密度為10mA/cm2時(shí)