钙钛矿改性RuO2材料的制备及其析氧性能研究

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高效电催化剂在发展能源转换和储存技术中,起到重要的作用。在催化剂的众多性能中,催化剂的析氧反应(OER)性能受到广泛关注。目前贵金属Ru及其氧化物被看作最有希望的OER电催化剂。然而,RuO2催化剂在高阳极电势下不稳定,特别是贵金属Ru的稀少和昂贵,极大地限制了它的广泛应用。为了减少Ru的使用量,进一步提高RuO2的OER电催化活性和稳定性,本论文选择具有一定活性的钙钛矿对RuO2材料进行改性。先合成钙钛矿ABO3物质,进而制备改性RuO2材料。采用X射线粉末衍射(XRD)研究材料的结构,通过对线性扫描伏安法(LSV)、循环伏安法(CV)、电化学交流阻抗法(EIS)等电化学性能的分析,评价材料的OER活性和稳定性,同时探讨材料的OER机理,以获得钙钛矿改性RuO2材料的规律,期望获得高活性、高稳定性的OER电极材料。首先采用溶胶-凝胶法制备钙钛矿LaCoO3样品,再将其以不同摩尔百分数(分别为0、2、4、6、8 at.%)添加制备改性RuO2材料。LSV、EIS结果显示,改性RuO2材料的10 m A·cm-2电流密度所需过电势、电荷转移能力与改性材料中LaCoO3添加量呈倒火山型关系,其中6 at.%LaCoO3添加时,达到最小。CV结果显示,与未改性的RuO2材料相比,6 at.%LaCoO3添加改性的RuO2材料具有明显更大的电化学双电层电容、更高的电流密度和更显著的氧化还原行为。这说明改性RuO2材料的OER活性,在实验添加范围内,与改性材料中LaCoO3添加量呈火山型关系,LaCoO3的添加量为6 at.%时,改性RuO2材料的OER性能最优。其次分别制备B位替换的钙钛矿LaBO3(B=Cr、Mn、Fe、Co)样品,进而以6 at.%作为钙钛矿的添加量,合成LaBO3添加改性的RuO2材料。研究表明,经过LaCoO3、LaCrO3改性后的RuO2材料,具有更低的10 m A·cm-2电流密度所需过电势、更大的电化学双电层电容、更多的伏安电荷、更好的电荷传递能力和更高的稳定性,表明其OER活性和稳定性更好。最后分别制备系列钙钛矿ACoO3(A=Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy)样品,以6 at.%作为钙钛矿的添加量,进而合成系列ACoO3添加改性的RuO2材料。研究表明,PrCoO3、GdCoO3的添加,既能增加RuO2材料的OER活性,同时又能提高其稳定性。Dy Co O3的添加,能增加RuO2材料的OER活性,其稳定性保持不变。总之,通过钙钛矿A位或B位替换改性RuO2材料的研究,发现RuO2材料经过钙钛矿LaCrO3、LaCoO3、PrCoO3和GdCoO3改性后,提高了RuO2材料的OER活性和稳定性。这些材料有望作为高活性和高稳定性的OER电极材料。本论文为进一步提高RuO2材料的活性和稳定性,减少Ru的使用量探索了新的方法。
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