钴钼氧化物碱性水电解电极的制备与研究

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在电催化水分解领域,混合金属氧化物由于综合性能优异而受到广泛关注。催化剂的微观形貌对其电化学催化性能有重要的影响,通过对混合金属氧化物微观形貌的设计,有可能制备出低成本、高性能的水电解催化剂。本文以CoMoO4及其与Co3O4的混合材料为研究对象,利用水热反应制备出新型泡沫镍基钴钼金属氧化物涂层电极。采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能量色散X射线光谱仪(EDX)、X-射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、激光显微拉曼(Raman)光谱等表征电极的表面形貌、元素组成及价态、晶体结构等。文中通过电化学工作站测试不同结构形貌催化剂的电化学阻抗谱(EIS)、Tafel斜率、线性扫描极化曲线(LSV)、循环伏安曲线(CV)及电化学活性面积(ECSA)、电极I-t曲线等分析电极的电化学性能,并进行比较。本文探究了CoMoO4的生长机理,并通过形貌设计对其水热反应工艺条件进行了优化,得到了一次水热反应生成CoMoO4纳米片结构催化层时,使用聚乙二醇-400作为水热反应的前驱体溶剂,溶质中Co、Mo摩尔比为1:1,反应温度为200oC,水热时间为20 h时制得电极的电催化析氢性能较好。首次将CoMoO4和Co3O4的混合材料应用于双功能水分解领域,通过二次水热法制得CoMoO4/Co3O4/NF电极,形成了覆盖在CoMoO4二维纳米片上的由一维Co3O4纳米线围成的蜂窝状结构。该多等级纳米结构的协同效应使该电极的催化性能得到显著提高。该电极双电层电容值为两组对照组电极电容值之和的1.5倍以上,EIS图谱得到的电荷转移电阻值也仅为CoMoO4纳米片的20%。CoMoO4/Co3O4/NF电极具有出色的电催化活性,其在碱性介质中达到10 mA·cm-2电流密度,析氢反应(HER)和析氧反应(OER)需要的过电位仅为143mV和244mV,远优于对照组的CoMoO4纳米片电极,Co3O4纳米线电极及裸泡沫镍电极,接近甚至超越商业贵金属电极。此外,该双功能水分解电极在10 mA·cm-2条件下所需要的电压仅为1.61V,并在超过30 h的电解时间内保持较好的稳定性。本文研究表明,CoMoO4纳米片电极和CoMoO4/Co3O4/NF电极在电催化水分解领域具有良好的应用前景。
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