幾種鈷基化合物的制備及其電化學(xué)性能研究

幾種鈷基化合物的制備及其電化學(xué)性能研究化石燃料的快速消耗及其對(duì)環(huán)境的消極影響,迫使人們?nèi)ラ_發(fā)可再生的、潔凈的新能源。氫能源,能量密度大、對(duì)環(huán)境友好,被認(rèn)為最有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉础ｋ娊馑谦@取高純氫氣的最有效方法。目前,電解水的最高效的催化劑主要是貴金屬催化劑,但由于儲(chǔ)量稀少、價(jià)格昂貴的劣勢(shì)限制它們?cè)诠I(yè)上大規(guī)模使用。所以,開發(fā)有效且穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的析氫和析氧催化劑尤為重要。近年來,過渡金屬材料因其優(yōu)異的催化性能引起大家的關(guān)注,尤其是鈷基化合物。本論文對(duì)鈷基化合物的合成及其電解水催化活性進(jìn)行探究,主要研究?jī)?nèi)容如下:1.EDTA輔助水熱法制備花狀CoSe₂納米棒作為有效的析氫電催化劑水解產(chǎn)氫是獲取純凈氫氣的有效方法。開發(fā)性能優(yōu)異的非貴金屬電催化劑在未來發(fā)展中占據(jù)著重要的角色。CoSe₂作為儲(chǔ)量豐富的非貴金屬材料已經(jīng)被證明是電催化產(chǎn)氫的高效催化劑。在本研究中,采用EDTA輔助的水熱法成功地合成了花狀CoSe₂納米棒。通過場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射、拉曼光譜和X射線光電子能譜等技術(shù)對(duì)材料形貌、結(jié)構(gòu)及組分等進(jìn)行表征,并在0.5MH₂SO₄溶液探究花狀的CoSe₂納米棒的析氫性能。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)電流密度達(dá)到100mAcm^-2時(shí)僅需要273mV的過電勢(shì),Tafel斜率值為35mVdec^-1,很接近已商業(yè)化的Pt/C的Tafel斜率值,并且穩(wěn)定性良好。由此可知,花狀CoSe₂納米棒由于其特殊的納米花結(jié)構(gòu)而具有比表面積大、活性位點(diǎn)豐富,可作為一種性能良好的析氫催化劑。2.一步化學(xué)轉(zhuǎn)化法合成的CoS₂片層/碳布柔性電極應(yīng)用于析氧反應(yīng)納米片層具有比表面積大、導(dǎo)電性好的特點(diǎn),有利于暴露更多的活性位點(diǎn)及促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移,從而提高析氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。因此,以負(fù)載Co₃O₄納米片層的碳布作為前驅(qū)體,采用一步化學(xué)轉(zhuǎn)化法將Co₃O₄納米片層硫化而得到CoS₂納米片層。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射、拉曼光譜和X射線光電子能譜等技術(shù)對(duì)材料的形貌、結(jié)構(gòu)及成分等進(jìn)行表征,并在1.0MKOH溶液中探究材料的析氧性能。結(jié)果表明,負(fù)載CoS₂納米片層的碳布三維柔性電極表現(xiàn)了優(yōu)異的析氧性能:達(dá)到10和100mAcm^-2的電流密度僅分別需要291和362mV的過電勢(shì),Tafel斜率為69mVdec^-1,并且穩(wěn)定性良好。采用該化學(xué)轉(zhuǎn)化思路也成功地制備了CoSe₂納米片層/碳布柔性電極,表現(xiàn)了良好的析氧性能。本研究為在導(dǎo)電基底上制備其它金屬化合物片層提供了合成策略。3.氮摻雜硫化鈷催化劑應(yīng)用于水的氧化雜原子摻雜是調(diào)控材料電子成分以達(dá)到催化目的的有效方法。本研究以硫脲作為硫源和氮源,在碳布上成功地制備了氮摻雜的CoS₂。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明,氮摻雜CoS₂在達(dá)到10mAcm^-2的電流密度僅需要240mV的過電勢(shì),Tafel斜率也僅為56mVdec^-1。其結(jié)果與未摻雜氮原子的CoS₂相比較,它在堿性條件下具有更低的過電勢(shì)、較小的Tafel斜率、較小的阻抗值及較高的轉(zhuǎn)換頻率。氮原子的摻雜不僅提高材料的析氧催化性能,而且對(duì)于研究其它雜原子摻雜材料具有重要的參考價(jià)值。4.負(fù)載MoS₂/CoS納米片層的碳布柔性電極在析氧反應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)有效且經(jīng)濟(jì)的析氧催化劑在設(shè)計(jì)可再生能源儲(chǔ)存及轉(zhuǎn)化設(shè)備起著至關(guān)重要的作用。因此,采用簡(jiǎn)單的水熱法在碳布基底一步合成MoS₂/CoS納米片層,并在堿性介質(zhì)中研究其電催化析氧性能。該獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)有利于暴露更多的活性位點(diǎn),能夠提供電子轉(zhuǎn)移通道,提高導(dǎo)電性。更為重要的是,Mo可以調(diào)控CoS的電子結(jié)構(gòu),使電子從Co轉(zhuǎn)移至Mo易于形成高價(jià)態(tài)Co³⁺,進(jìn)一步提高析氧性能。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明,MoS₂/CoS在1.0MKOH溶液達(dá)到10mAcm^-2僅需要290m