镍基非贵金属催化剂的制备及电催化水分解性质研究

电催化或光催化水分解制氢,是解决能源危机和环境污染的有效途径之一。贵金属催化剂具有较高的催化水分解的活性,但是由于贵金属低储量、高成本的特点,限制了其大规模应用。因此,寻找有效的非贵金属材料催化剂变得尤为重要。 近年来,人们一直在尝试改进非贵金属催化剂的催化性能,包括：降低催化水分解的过电势、提高催化活性、提高能量转换效率、提高稳定性等。本文通过两种途径来提高镍基材料的催化性能：(1).通过电沉积法,将镍基材料生长在碳纳米管修饰电极上,用于催化水分解。(2).合成双金属氧化物NiCo2O4纳米线,对其催化水氧化的性能进行分析。 在阳极电势下,在含有镍离子的硼酸钾(KBi)缓冲溶液中,镍基材料通过电沉积生长到了MWCNTs/ITO上。电化学测试显示NiOx-MWCNTs电催化剂材料具有很好的催化活性和较低的过电势(-200mV)。 NiOX催化剂材料通过扫描电子显微镜(SEM)、 X射线能量散射谱(EDX)和X射线光电子能谱(XPS)测试进行了进一步的表征。 在含有镍离子的KBi溶液中,在还原电势下(-1.2V vs. Ag/AgCl),电沉积到MWCNTs上的镍基薄膜能够有效的用于产氧反应(OER)和产氢反应(HER)。在还原状态下,H2-NiOx-MWCNTs催化剂薄膜能够在低过电势下有效地催化产氢反应。当转换为氧化条件时(+1.1V vs. Ag/AgCl), MWCNTs上的无定形H2-NiOx薄膜转换成了另一种无定形材料(O2-NiOx),能够有效地用于水氧化反应。NiOx-MWCNTs催化剂通过SEM,透射电子显微镜(TEM), EDX和XPS进行了表征。结果显示O2-NiOx-MWCNTs薄膜的O含量高于H2-NiOx-MWCNTs薄膜的O含量。NiOx-MWCNTs具有良好的稳定性,当电势在还原状态和氧化状态之间转换时,薄膜的催化性能能够既催化水还原产氢又催化水氧化产氧。 此外,我们利用简单的两步法,合成了NiCo2O4纳米线阵歹(NWAs)。NiCo2O4NWAs催化剂作为工作电极催化水氧化时,表现出了很高的活性和良好的稳定性。在同样条件下,NiCo2O4NWAs的电流密度甚至高于纳米Ir02催化剂的电流密度。利用球差显微镜TEM对NiCo2O4纳米线进行了原子层面的分析,发现NiCo2O4纳米线中存在高指数活性面及大量的表面原子台阶,这可能是NiCo2O4纳米线催化剂具有低过电势和高催化活性的主要原因。该体系中的法拉第效率大于95%。