CoCuP水氧化催化剂的制备及水氧化性能研究

【摘要】：能源短缺和环境污染推动了绿色能源技术的发展。氢气是一种理想的能源载体,具有燃烧热值高、环境友好等优点。电解水制氢能够将可持续的电能转化为绿色的化学能,是获得氢气的有效途径之一。水分解包括两个半反应,在阴极发生还原水产生氢气半反应(HER),在阳极发生水氧化产生氧气半反应(OER)。其中,水氧化半反应由于涉及到四个质子和四个电子转移,在动力学上不易发生。因此,研究和开发低成本、高活性的水氧化催化剂是大规模水分解的关键。贵金属(钌、铱等)材料对OER反应具有很高的活性,但贵金属的稀缺性和高成本限制了其大规模应用。钴基水氧化催化剂由于储量丰富、廉价和活性高等优点被开发和利用。论文的第一部分以铜片为基底通过变电位沉积方法制备了CoP和CoCuP电极。电极的表面形貌和组分使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、等离子发射光谱仪(ICP-OES)和X射线光电子能谱(ESCALAB XI+)等手段进行表征。结果表明,在碱性环境中,CoCuP具有更高的电化学活性面积。电化学测试结果表明CoCuP电极的水氧化反应活性相对CoP电极有了明显提高,在238 mV的过电位下达到10 mA cm~(-2)的电流密度。除此之外,CoCuP电极表现出pH依赖的OER活性,表明晶格氧作为催化活性位点参与了水氧化反应。SEM图像显示,CoCuP具有高电化学活性面积(ECSA)的纳米片堆积结构,表明以CoCuP作为支撑骨架能够进一步提高ECSA。因此,以CoCuP作为基底,通过变电位沉积法制备CoCuP/CoP电极。CoCuP/CoP电极在1 M KOH中达到10 mA cm~(-2)的催化电流密度需要143 mV过电位。此外,在碱性条件下,以10 mA cm~(-2)的电流密度测试CoCuP/CoP电极的水氧化稳定性。测试10 h时间内,过电位在230 mV保持恒定,表明制备的CoCuP/CoP电极在施加的条件下具有稳定性。