ZnO增强MxCo3-xO4电催化析氧性能研究

氢能因热值高、燃烧产物无污染等优良特性,成为目前新型能源研究的焦点,有望成为化石能源的理想替代品。电催化水分解作为最具前景的氢气制备方法,包含两个半反应:析氧反应(OER)和析氢反应(HER)。其中OER目前主要采用贵金属作为催化剂,但其高成本极大地限制了电催化产氢的工业化。基于Co 3O 4的Co基掺杂氧化物具有成本低廉、催化活性高且稳定性强等优良特性。目前对于Co基掺杂氧化物的研究主要集中于探究掺杂不同金属元素(Zn,Ni,Fe等)对其催化活性的影响,极少研究掺杂惰性氧化物对其催化活性的影响。合成了一种CoFeNiZn复合氧化物,且具有优良的电催化活性和稳定性。在1 mol/L KOH的电解液中,10 mA/cm 2的电流密度下,CoFeNiZn复合氧化物过电势(η10)为310 mV,塔菲尔斜率(Tafel slope)为40 mV/dec,相比原始CoFeNi氧化物(η10为400 mV)过电势降低了90 mV。CoFeNiZn催化剂催化性能的提高主要是由于以惰性ZnO作为基质可有效地分散催化活性物质,并充分暴露CoFeNi氧化物的催化活性位点。这一基于催化材料掺杂非活性物质提高催化剂催化活性的发现可以为现有催化剂开发提供新的思路。     

脱合金化制备纳米多孔Ni、NiO阳极材料及其电催化析氧性能

采用快速凝固与脱合金化相结合的方法制备纳米多孔Ni,经热处理氧化获得纳米多孔NiO,运用XRD、SEM、TEM、BET等对纳米多孔Ni、NiO的物相、形貌结构、孔径分布进行表征,并通过循环伏安、稳态极化、电化学阻抗法研究了其作为电极的电催化析氧性能。结果表明,Ni_(15)Al_(85)和Ni_5Al_(95)脱合金化后均获得了纳米多孔Ni,Al含量的增加使得Ni的孔径尺寸与骨架强度减小,Ni_5Al_(95)形成的纳米多孔Ni在10 mA·cm~(-2)电流密度下的析氧过电位比Ni_(15)Al_(85)形成的纳米多孔Ni低95 mV,但随着反应的进行,纳米多孔Ni表面的孔洞开始坍塌和脱落,导致其析氧稳定性降低。NiO继承了Ni的纳米多孔结构,比表面积和骨架强度进一步增大,Ni_5Al_(95)合金获得的纳米多孔NiO在10 mA·cm~(-2)电流密度下的析氧过电位仅为357 mV,相比Ni电极降低了14. 3 mV,室温下析氧反应的表观交换电流密度是Ni电极的1. 2倍,表观活化自由能降低了8. 59 k J·mol~(-1),经1 000圈循环伏安后过电位降低了12 mV(J=100 mA·cm~(-2)),具有优良的电催化析氧性能和良好的稳定性。     

溅射Cu-Zn-Sn金属预制层后硫(硒)化法制备Cu2ZnSn(SxSe1-x)4薄膜及其光伏特性

采用溅射工艺制备Cu-Zn-Sn金属预制层并尝试在多种退火方案(硫化退火、硒化退火、不同温度下硫化后硒化)下对其进行退火处理,探索出一种只需采用金属预制层即可完成CZTSSe制备的退火工艺制度。通过扫描电镜对比研究了不同退火制度下Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4薄膜的形貌差异,发现低温硫化后硒化工艺可以有效减少因硫化温度过高引起的薄膜中孔洞较多的问题,有利于薄膜的平整与致密化。在此基础上,采用X射线荧光光谱、扫描电镜、X射线衍射及拉曼光谱对不同硫化温度(200℃、300℃、400℃、500℃)下硫化后硒化工艺制备的Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4薄膜的成分、形貌、物相结构及结晶性能进行了表征和分析。结果表明,300℃下硫化后硒化获得的Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4较其他温度下硫化后硒化获得的产物有着更好的形貌及结晶性能,其器件的光电转换效率为2.09%,远高于500℃下硫化后硒化工艺所得薄膜器件的效率(0.94%)。     

纳米氧化铜与氧化锡复合物(SnO_2-CuO)催化剂的制备及CO_2电催化还原性能研究

采用共沉淀法制备SnO_2-CuO复合纳米催化剂,用于温室气体CO_2电催化还原。实验结果表明:催化活性的强弱取决于复合催化剂中的SnO_2和CuO的摩尔比。催化剂SnO_2(50%)-CuO(50%)的催化条件为最优,起峰电位可达到-0.75V,而在-1.25V时的最大电流密度能达到约-24 mA/cm~2。测试结果表明,SnO_2(50%)-CuO(50%)/GDL的电容为200μF/cm~2,比无负载的气体扩散电极(GDL)面积增加了30μF/cm~2。复合催化剂平均粒径约为50nm,颗粒间隙为100nm,其疏松的结构对CO_2与催化剂的接触非常有利。离子色谱与电流-时间的关系表明SnO_2(50%)-CuO(50%)在-1.0V(vs SHE)电位下电解1h,可得到最优法拉第效率,高达74.1%。SnO_2(50%)-CuO(50%)复合催化剂的稳定性可高达30h。复合SnO_2-CuO纳米催化剂具有优良的CO_2电化学还原催化性能。     

纳米Ce1-x(Eu0.5La0.5)xO2固溶体对Mg2Ni合金储氢性能催化作用研究

采用水热法合成纳米Ce1-x(Eu0.5La0.5)xO2(x=0、0.04)固溶体,系统研究固溶体在球磨条件下对Mg2Ni合金储氢性能的催化作用。XRD结果表明,随着Ce1-x(Eu0.5La0.5)xO2添加量的增大及球磨时间的延长,样品的非晶纳米晶含量增加;SEM结果显示,催化剂均匀分布在合金表面,随着球磨时间延长,团聚现象减少;催化剂对球磨样品的活性、最大放电容量和高倍率放电性能均有良好的催化作用,掺杂固溶体比纯CeO2具有更好的催化活性。     

La掺杂Ni-SiO2催化剂催化裂解甲烷制备氢气和碳纤维

采用浸渍法制备了不同La掺杂量的Ni-SiO2催化剂,研究了La掺杂量对Ni-SiO2催化剂的Ni活性金属粒径、还原性能、甲烷催化裂解寿命以及反应后生成碳纤维的影响.结果表明:La、Ni物质的量比由0增长至0.3时,Ni-SiO2催化剂的寿命显著提高,而当La、Ni物质的量比由0.3增长至0.6时,催化剂寿命在一定程度上略有降低;La、Ni物质的量比由0增长至0.6时,还原后催化剂Ni金属的平均粒径从26.43nm不断降低至10.57nm.不同La掺杂量Ni-SiO2催化剂甲烷催化裂解过程中Ni金属平均粒径变化趋势明显不同,n(La)∶n(Ni) =0的Ni-SiO2催化剂随反应进行Ni金属平均粒径不断降低,而n(La)∶n(Ni)=0.3的Ni-SiO2催化剂随反应进行Ni金属平均粒径则不断升高.碳纤维形态受掺La掺杂量影响较大,随La、Ni物质的量比由0增长至0.3,反应过程中生成的碳纤维管径变粗,而随La、Ni物质的量比由0.3增长至0.6,碳纤维变短.     

碳化铁/氮掺杂碳纳米粒子的制备及其电化学析氢性能

发展环境友好和成本低廉的析氢催化剂对于可再生能源技术具有重要意义。采用二茂铁和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原料,通过简单的水热法结合尿素辅助下的高温热解合成碳化铁/氮掺杂碳(Fe_3C/N-C)的复合纳米粒子。重点比较了不同热解温度对所制备的复合纳米粒子的成分、微观结构以及电催化析氢性能的影响。结果表明,在800℃热解温度下获得的Fe_3C/N-C在碱性电解液中具有最好的催化活性,其过电位为211 mV(电流密度为10 mA/cm~2),塔菲尔斜率仅137 mV/dec,优于其他热解温度下获得的样品,且该样品连续工作10 h后催化活性未见明显衰减,展现了良好的耐久性。该工作将为过渡金属碳化物和氮掺杂碳的复合结构调控提供新思路,同时为发展高效廉价的非贵金属电催化剂提供技术支撑。     

双功能氧催化剂Sr1-xSmxCoO3(x=0～0.6)的电催化行为研究

近年来,可逆燃料电池因其高效环保而备受关注,然而其进一步发展受到双功能氧催化剂的严重制约。作为一种极具开发前景的双功能氧催化剂,钴基钙钛矿成为该领域的研究热点。然而,其氧催化活性和稳定性尚需进一步改善。采用改性溶胶-凝胶工艺制备了Sr_(1-x)Sm_xCoO_3(SSC,x=0～0.6)系列氧催化剂,并对其氧催化活性与稳定性进行了研究。结果表明,Sm掺杂能有效改善SrCoO_3体系的双功能氧催化活性。其中,Sr_(0.7)Sm_(0.3)-CoO_3(SSC-30)具有最高的氧还原催化活性,其起始电位和半波电位可达0.798 V和0.638 V(vs RHE)。Sr_(0.8)-Sm_(0.2)CoO_3(SSC-20)具有最高的氧析出催化活性,其在10 mA/cm~2电流密度下的电位值可达1.692 V,对应的过电位η为462 mV。综合氧还原和氧析出催化活性的测试结果,SSC-30具有最佳的双功能氧催化活性,OER和ORR的电位差ΔE仅为1.071 V。此外,Sm掺杂还能进一步提高SrCoO_3的氧催化稳定性,其中SSC-30对氧还原与析出的催化稳定性均高于SrCoO_3。研究结果有望为双功能钴基钙钛矿的开发和应用提供理论指导。     

Fe,N掺杂二维多孔碳双功能催化剂及锌-空气电池中的应用

在石墨烯表面负载金属有机框架材料ZIF-8,同时在金属有机框架材料表面分散Fe-2,2-Bipy螯合物,通过高温煅烧分解制备了Fe, N掺杂多孔碳催化剂材料。采用SEM, XRD, XPS对制备的催化剂材料进行了形貌、结构以及成分分析。采用旋转圆盘电极,CV曲线,LSV曲线对Fe,N掺杂多孔碳催化剂材料的氧还原(ORR)以及析氧(OER)电催化性能进行了分析。并且将Fe, N掺杂多孔碳催化剂应用于锌-空气电池。结果表明,所制备的Fe, N掺杂多孔碳催化剂材料显示出均匀的二维结构形貌, Fe元素含量为1.32%。催化剂在0.1 mol/L KOH溶液中半波电位为0.83 V,在1 mol/L KOH溶液中, 10 mA/cm~2电流密度下过电势为420 mV。将催化剂应用于锌-空气电池,锌-空气电池功率密度达到245 mV/cm~2,并且表现出优异的循环稳定性。     

Ce掺杂锂离子电池正极材料Li[Li_(0.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)]O_2的制备及电化学研究

采用硝酸锂(LiNO_3)、六水硝酸镍[Ni(NO_3)_2·6H_2O]、四水乙酸钴[Co(CH_3COO)_2·4H_2O]和四水乙酸锰[Mn(CH_3COO)_2·4H_2O]为原料,用燃烧法制得锂离子电池富锂锰基层状正极材料{Li[Li_(0.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)]O_2},并用铈离子掺杂改性。对样品进行测试,并分析了不同的Ce掺杂量对正极材料的结构、形貌及电化学性能的影响。结果表明,4种材料都具有典型的层状α-NaFeO_2结构,说明掺杂后并未改变材料的层状结构;样品Li[Li_(0.2)Mn_(0.54-x )Ni_(0.13)Co_(0.13)Ce_x]O_2(x=0.034)性能最佳,在电流密度为20mA/g,电压为2.0~4.7V的充放电条件下,具有最高的首次充放电比容量分别为240.1mA/g和164.7mA/g,首次库伦效率为68.6%。     

高电催化活性染敏电池对电极CNT/TiO_(2-x)N_x材料的制备

以钛酸异丙酯为钛源,CNTs为载体,结合水热和高温NH_3处理技术成功制备了CNT/TiO_(2-x)N_x复合物,并研究了其作为染料敏化太阳能电池(DSSC)对电极材料的电催化性能。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱和循环伏安等表征手段对CNT/TiO_(2-x)N_x复合物的形貌、结构和电化学性能进行表征。结果表明:直径30~50 nm的CNTs和直径为3~8 nm的TiO_(2-x)N_x纳米线相互交联形成了三维的网状结构,这一结构有利于增大复合物与电解液的接触面积。复合物融合了N掺杂Ti O2的高电催化活性和CNTs的高导电性的优势使得复合物的光电效率高达7.16%,与贵金属催化剂Pt相当,有望成为DSSC对电极材料理想替代材料之一。     

立方空心Ni(OH)_2的制备及其在AA电化学检测中的应用

Ni(OH)_2作为过渡金属氢氧化物具有储量大,活性高和价格低廉等优点。根据动力学原理,空心结构具有较大的比表面积,良好的内部空间,丰富有序的传递通道,可以有效提高材料的电催化活性。以氧化亚铜为模板设计合成了立方空心Ni(OH)_2电催化材料,并将其用于抗坏血酸(AA)的电化学检测,结果表明立方空心Ni(OH)_2在检测AA的过程中有较高的灵敏度(1 678μA/(cm~2·mM)),较低的检测下限(0.25μM)和可靠的稳定性,证明了立方空心Ni(OH)_2在检测AA方面具有实际应用价值并且为构建高性能电催化剂提供了一种有效的策略。     

碳纳米管载钴基纳米材料的制备:一种优异的电催化析氢活性材料(英文)

在高效过渡金属磷化物催化剂中,钴镍磷(CoNiP)以其优异的析氢催化活性,被认为是最有可能在将来替代贵重金属铂的一类催化剂。采用一种简单的工业浸渍法和两步煅烧法制备了在氮掺杂碳纳米管上(NCNTs)均匀分散的CoNiP纳米颗粒,获得了具有高效析氢活性的催化材料(CoNiP/NCNTs),该材料具有较低的过电位和良好的析氢稳定性等优点。在磷化物的合成过程中,磷源加入的量是影响其性能至关重要的因素。实验通过改变磷化过程中加入次磷酸钠的量考察了磷源含量对材料催化性能的影响。经过优化后的CoNiP/NCNTs纳米材料,在0. 5 mol/L的硫酸溶液中具有44 mV的初始过电位,并且在电流密度为10 mA cm~(-2)的时候,过电位仅为75 mV。经过24 h的稳定性测试,电位仅下降6 mV。因此,实验制备的催化材料具有优异的析氢催化性能,在工业产氢领域具有很好的应用潜力。     

基于多相硫化镍铁的高效析氧电极材料（英文）

开发高效和低成本的析氧电极材料是工业电解水制氢技术发展道路上至关重要的技术难题.本文利用溶剂热方法将镍铁水滑石阵列转化为具有铁掺杂的多相硫化镍(NiS和Ni3S2)阵列,制备出一种具有高效析氧性能的电极材料.粗糙的纳米片表面有利于高活性位点的暴露.电化学分析表明其仅需要100 mV的过电位就可以达到10 mA cm^-2的电流密度,相对于镍铁水滑石阵列降低了130 mV.我们进一步通过密度泛函理论计算来揭示其活性提升机理,发现具有部分S氧化的Fe掺杂NiS可以极大地降低析氧反应中间体形成的阻力,从而加快催化反应进行,提高催化活性.另一方面,(Ni,Fe)S和(Ni,Fe)3S2与三维多孔泡沫镍结构有很好的结合作用,反应电子可以通过金属性的二硫化镍相进行高效传输,进一步加速析氧催化进程.     

过渡金属和磷共掺杂多孔碳作为氧气还原电催化剂

碳基材料作为非贵金属催化剂具有导电性能高、稳定性能好、价格低廉、环境友好等优点,在燃料电池阴极催化剂领域中引起了广泛的关注,尤其是过渡金属和异原子共掺杂能够显著提高碳材料的氧气还原催化活性。本文采用聚醚(F127)作为软模版,苯酚、甲醛作为碳源,四苯基溴化膦作为磷源,硝酸盐作为过渡金属来源,通过挥发溶剂自组装及高温煅烧过程制备了过渡金属(Co、Fe、Ni、Mn)和磷(P)共掺杂多孔碳材料(TM-P-C)。通过旋转环盘电极研究了TM-P-C在0.1 mol/L KOH电解液中的氧气还原电催化性能。研究结果表明：TM-P-C催化剂具有较高的氧化还原反应(ORR)电催化性能,其ORR活性为P-Co-C>P-NiC>P-Fe-C>P-Mn-C,其中P-Co-C的ORR电催化性能可与商业20wt%Pt/C催化剂相媲美,其电流密度与20wt%Pt/C催化剂的电流密度相当,与20wt%Pt/C仅存在66 mV的半波电位差,表现为ORR的4e–转移途径。制备的TM-P-C催化剂所具有的较高氧气还原电催化活性主要来自于过渡金属和P原子之间的协同作用。此外,TM-P-C催化剂表现出优异的...     

NiCoMo层状双氢氧化物纳米催化剂的制备及其电催化析氧性能研究

以泡沫镍(NF)为基底，通过一步水热法制备不同镍钴比的层状双氢氧化物(NiCoMo-LDH/NF)纳米催化剂，并借助X射线衍射和扫描电镜对催化剂的物相和形貌进行表征分析，研究催化剂元素组分调控对其电催化性能的影响。通过元素组分的调控，改变催化剂的显微结构，当Ni∶Co=1∶2(摩尔比，下同)时，Ni₁Co₂Mo-LDH/NF催化剂密集的纳米片结构，有利于活性位点的暴露和中间体吸脱附，以及电荷的快速传输，进而促使析氧反应的进行。电化学测试表明，在1mol/L KOH溶液中，电流密度达到10mA/cm²时，Ni∶Co=1∶2的纳米材料过电势仅为266mV,塔菲尔斜率为82.45mV/dec。此外，经12h的时间-电流稳定性测试后，材料的催化性能和形貌未有明显改变。可见，当Ni∶Co=1∶2时，材料表现出优异的催化活性和稳定性。     

FeP(Fe_2P)纳米颗粒/氮掺杂碳纳米复合结构的控制合成与电催化性能研究

采用溶液聚合法一步合成铁离子改性、植酸掺杂的聚苯胺,在800~900℃氩氢还原气氛下,将电催化析氢性能良好的磷化铁与磷化亚铁颗粒,负载在高温裂解聚苯胺高分子生成的网络多孔碳骨架上。制备了FeP(Fe_2P)纳米颗粒/多孔氮掺杂碳(NC)复合催化剂薄膜,通过扫描电子显微镜和X射线衍射分析表征了催化剂的微观结构。样品的催化性能采用线性扫描伏安法测试。结果表明,850℃条件下,得到的催化剂同时具有最好的电解水析氢及氧还原催化活性。     

Pd-X/SnO_2复合催化剂催化乙醇电氧化性能研究

采用溶剂热法制备了SnO_2纳米棒,以其为载体,采用溶剂热还原法制备Pd-X/SnO_2复合催化剂,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及X射线能谱仪(EDS)对复合催化剂进行表征,采用循环伏安法考察了Pd/SnO_2掺杂非贵金属Co、Zn、Fe和Sb复合催化剂对乙醇氧化电催化性能的影响。结果表明:SnO_2纳米棒呈针尖状,大小均匀,长度为600nm,平均直径约为100nm,Pd粒子高度分散在SnO_2纳米棒表面;在1mol/L KOH+1mol/L C_2H_5OH溶液中,制得的Pd-X(Co、Zn、Fe、Sb)复合催化剂对乙醇氧化均具有较好的催化活性,其中Pd-Zn/SnO_2催化剂表现了最佳的催化性能;当E=-0.2V时,Pd-Zn/SnO_2催化乙醇氧化的峰电流密度可达为30.7mA/cm~2。     

氟掺杂改善Li1.2Mn0.56Ni0.16Co0.08O2富锂锰基层状氧化物正极材料的长循环稳定性

针对富锂锰基层状材料xLi_2MnO_3·(1-x)LiMO_2(M为Mn、Co、Ni)存在着充放电循环性能差的缺点,采用溶胶-凝胶法制备氟掺杂Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.08)O_(2-x)F_x正极材料,以提高这种材料的长循环充放电性能。研究结果表明,氟掺杂材料的晶体结构与未掺杂材料相似,但氟掺杂明显改善了充放电长循环性能的稳定性。在125 mA/g电流密度下电池循环500次,掺杂5%F的Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.08)O_(1.95)F_(0.05)材料比容量保持率为79.2%,并且极大地抑制了放电平台电位的衰减,而未掺杂的Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.08)O_2材料的比容量保持率仅为16%,其放电电位平台已经消失。这些结果表明氟掺杂能有效地抑制富锂锰基层状结构正极材料充放电过程中比容量和放电平台的衰减。     

C元素对Ni_(68.6)Cr_(8.7)Nb_3P_((16.5-x))B_(3.2)C_x非晶合金性能的影响

研究了C的添加对Ni_(68.6)Cr_(8.7)Nb_3P_((16.5-x))B_(3.2)C_x(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,1,%,原子分数)合金的非晶形成能力、热稳定性和腐蚀性能的影响。研究表明,x=0.5时,合金棒为非晶结构,直径达2 mm;适量C的添加提高了Ni基非晶合金的热稳定性能;在1 mol/L H_2SO_4溶液环境下,随C含量的增加,Ni基非晶合金薄带的耐腐蚀性能逐渐增强。