多孔钴酸盐的制备及其双催化性能研究

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新能源汽车能源效率高,能够摆脱对石油的依赖,是降低汽车排放污染的有效手段,也是国家新能源发展的主流趋势。提高其能量密度和安全可靠性是当前新能源汽车的主要方向。而电极催化剂在提高催化活性和稳定性方面扮演着至关重要的角色。本文成功制备了一系列尖晶石型MCo2O4(M=Zn,Cu,Fe,Mn),并研究它们作为双功能催化剂的催化性能。研究的主要思路以及结论如下:(1)采用水热法成功制备出一系列钴酸盐MCo2O4(M=Zn,Cu,Fe,Mn),通过调控温度、反应时间以及表面活性剂合成出具有多孔结构的纯相钴酸盐MCo2O4。对其电化学性能进行测试,在碱性溶液中对氧还原反应ORR(Oxygen reduction reaction)和氧析出反应OER(Oxygen evolution reaction)都显示出良好的电催化活性。其中,Fe Co2O4的双催化活性在四种钴酸盐中最好,稳定性更是优于商业铂碳。其原因首先是它的比表面积最大,可提供更多的活性位点。多孔结构存在许多孔洞,有利于氧气的吸附、扩散和传输,有利于ORR反应的进行;其次Fe Co2O4的Co3+/Co2+的比例最高。许多实验结果表明Co3+阳离子是许多氧化反应的活性位点,这有利于总氧化催化活性的增强。(2)采用硼氢化钠还原法成功将Pt纳米颗粒负载在多孔Fe Co2O4上,在KOH电解液中测试其ORR和OER性能。通过负载Pt以后,多孔Fe Co2O4的双功能催化活性得到提高,一是由于Pt本身就具有良好的催化活性;二是Pt-O键的形成,使Pt和Fe Co2O4之间存在共价耦合作用;三是缺陷位点的增多也有利于提高催化活性。(3)采用磷化的方法成功将磷化物负载在多孔Fe Co2O4上,在KOH电解液中测试其ORR和OER性能。通过磷化处理后,多孔Fe Co2O4的双功能催化活性得到提高,具有优异的循环稳定性以及小的电子转移阻力。其原因可能是磷化后活性位点的增多,如磷化物、Co-P键以及氧空位。
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