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电化学分解水是一种利用电能来产生清洁化学能源的有效方法。但由于水氧化半反应(OER)中涉及四电子的转移过程,需要克服很高的能垒,是水分解反应的速控步。虽然铑基(Ru-)和铱基(Ir-)化合物是OER性能优异的电催化剂,但由于成本高、产量少的原因限制了其在实际中的广泛应用。开发高效、稳定且成本低的电催化剂(如过渡金属含氧化合物)是解决问题的有效途径。当前已开发的一些过渡金属OER电催化剂中,材料的活性位点暴露少及电子传输速度慢是遇到的最重要问题。为解决上述问题,我们通过使用MOF模版及导电物种辅助的方法,开发了几种结构新颖的OER电催化剂,使材料的性能得到了显著提高。论文的具体研究内容如下:首先,我们开发了一种简单的合成三维自支撑Co(OH)2花状纳米片的方法。我们发现以2-甲基咪唑为碱源的时候,其在开始阶段可以迅速和Co2+形成ZIF-67颗粒,随后可在溶剂热条件下作为弱碱将MOF颗粒衍生为Co(OH)2纳米片。这种经过MOF中间产物的溶剂热过程可以有效避免生成的Co(OH)2纳米片发生堆积,从而形成片层交错的支撑结构,可防止纳米片表面活性位点的互相掩盖。合成的自支撑纳米片表现了优异的电化学析氧性能:在0.1 MKOH电解质溶液中析氧的起始电位在1.52V,塔菲尔斜率为44.6mV/dec;在电流密度为10mA/cm2时的过电位为340 mV;电化学活性面积为9.17 cm2(循环伏安法(CV)。各项性能指标都远高于传统的以尿素为碱源合成的α-Co(OH)2纳米片。其次,我们以MIL-53(Fe)为前驱体,通过装载不同量的Co2+再经过惰性气氛煅烧,获得了一系列成分可调的OER催化剂,如CoFe2O4/Fe3O4、CoFe2O4、Co/CoO/CoFe2O4及CoO/CoFe2O4等。所制备的材料均保留了 MOF原有的均匀外形,其孔隙结构也随着钴含量的增加而增大,从而增大了材料的比表面积及活性位点的充分暴露。这些材料由于其大的比表面,均表现出了较好的OER活性。其中,在合适Co2+/MOF比例时,钴离子会被先还原再部分氧化,Co单质和CoO会同时形成。这种三元的Co/CoO/CoFe2O4表现出了最优的电催化析氧性能,得益于单质Co的导电性和CoO/CoFe2O4作为活性位点协同作用。由于单质钻还可以作为析氢的活性位点,因此Co/CoO/CoFe2O4材料也具有良好的全分解水的性能,在电压为1.61 V时电流密度达到了 20 mA/cm2。最后,我们采用石墨烯纳米带(GONRs)为基底,在其上原位生长了 Co(OH)2纳米片。我们发现GONRs与Co(OH)2纳米片的结合,可以很大程度提高Co(OH)2的OER的性能。一方面由于GONRs边缘有较多的C=O基团可以与Co2+的结合,可以获得均匀分散Co(OH)2纳米片,且结构稳定,有利于电子的传递。其次,GONRs是一维的带状材料,有很高的长径比,提供了快速的导电通道,提高了电催化反应中电子的传输速率。复合材料表现出很好的电化学析氧性能:析氧起始电位在1.46 V,塔菲尔斜率66mV/dec;在电流密度为10mA/cm2时过电位为280 mV;在电流密度为10 mA/cm2时持续反应12 h电流密度仅降低6.2%。各项参数均超出了使用碳纳米管(CNT)与Co(OH)2复合材料的性能。