摘 要

电解水制氢在近几年备受关注，这主要是因为通过它可以将间歇性能源（比如太阳能、风能）转化成氢气燃料的形式并以此进行大量储备。然而，电解水制氢技术的发展被限制于阳极上迟缓的析氧反应（OER）和反应较高的动力学过电位需要消耗更多的能量来产生氢气。目前，RuO₂和IrO₂是使用最广泛的高效析氧反应催化剂，但它们的大量应用受到原料稀缺，成本高，催化性能不稳定等因素的严重限制。因此，基于地球上储备充足的金属材料来发展和研制高效、稳定的析氧反应催化剂，将是未来提升制氢能力的关键。铁基材料由于其较大的自然储备量、低成本、化学和物理上的稳定性以及在和电解水的阳极材料集成后具有较高的电导率等优点，在电解水上得到越来越多的关注。

本论文主要对FeOOH及Fe-Ni系列超薄纳米片电极材料的设计构筑、制备表征、电化学性能测试进行了系统的研究，所得结果如下：

1. 采用牺牲模板法成功构筑FeOOH及Fe-Ni系列超薄纳米片；
2. 通过旋转圆盘电极进行电催化性能测试，在保持基本纳米片形貌的前提下，发现在一定范围内适当提高模板投料量对于提升材料电催化活性具有一定的帮助；
3. 通过旋转圆盘电极进行电催化性能测试，在保持Fe-Ni总比例一定的前提下，调节不同的Fe-Ni投料比例，发现适当的Ni掺杂既可以保持原有的片状形貌，又对性能有极大的提升，但当掺杂过量甚至无Fe源投料的时候，纳米片的形貌消失，性能变差，由此说明纳米片形貌对电催化性能的保持有重要作用。

关键词：电催化；电解水；析氧反应；FeOOH

Abstract

Electrochemical water splitting has drawn substantial attention in recent years, as it provides possible means for large-scale storage of intermittent energy (e.g., solar and wind), in the form of hydrogen fuels (H₂). However, the development of water splitting technologies is limited by the slow kinetics of anodic oxygen evolution reaction (OER), and a high kinetic overpotential that requires big energy consumption to produce H₂ . Ruthenium and iridium oxides are the most widely used and efficient catalysts for OER. However, their scarcity, high cost, and instable catalytic performance have severly impeded their large-scale applications. Therefore, the development of highly efficient and stable OER catalysts, based on earth-abundant metals, will be key for improving hydrogen production capabilities. Currently, iron-based materials has attracted lots of interest in water splitting, as its nontoxic earth-abundant elements, economical to manufacture, chemically and mechanically stable, and sufficiently electrically conductive to facilitate integration with water-splitting anodes.

Here, we synthesize FeOOH and Fe-Ni series nanosheets through hydrothermal synthesis, the preparation, characterization and electrochemical performance have been investigated.our results are listed as follows:

1. We use Sacrificial template method to synthesis FeOOH and Fe-Ni series nanaosheets;
2. The rotating disk electrode measurements demonstrated that, under the premise of maintaining the morphology of the basic nanosheets, increasing the feeding amount of template in a certain range is helpful to improve the electrocatalytic performance of the material;
3. The rotating disk electrode measurements also shew that, under the premise of maintaining the total proportion of Fe-Ni, it is found that the appropriate Ni-doping can not only maintain the original sheetlike morphology but also improve the performance. However, the morphology of nanosheets disappears and the performance is deteriorated, indicating that the morphology of nanosheets plays an important role in maintaining the electrocatalytic performance when we use Ni to take place of all Fe.

Key word: Electrocatalysis; Water splitting；Oxygen evolution reaction; FeOOH

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2电解水析氧反应的研究 2

1.2.1电解水析氧的电化学反应机理 2

1.2.2电解水析氧反应的电子转移过程研究 3

1.2.3 电解水析氧反应研究现状 3

1.3电解水析氧反应的电极材料研究 4

1.3.2过渡金属氧化物电化学催化剂 4

1.4模板法合成空心纳米材料 5

1.4.1硬模板法 5

1.4.2软模板法 6

1.4.3无模板法 6

1.5本论文选题意义及主要研究内容 6

第2章 实验材料的制备与表征 8

2.1.1实验药品 8

2.1.2 实验仪器 8

2.2材料的表征方法 8

2.3 ZIF-67的制备与表征 9

2.3.1 ZIF-67的制备 9

2.3.2 ZIF-67的表征 9

2.3 FeOOH系列超薄纳米片的制备与表征 10

2.3.1 FeOOH超薄纳米片的制备 10

2.3.2 其他FeOOH超薄纳米片的制备 11

2.3.3 FeOOH系列纳米片的表征 11

2.4 Fe-Ni系列超薄纳米片的制备与表征 12

2.4.1 Fe-Ni系列超薄纳米片的制备 12

2.4.2 Fe-Ni系列纳米片的表征 13

第3章 FeOOH和Fe-Ni系列电催化性能测试 15

3.1旋转圆盘电极测试FeOOH系列电催化性能 15

3.2旋转圆盘电极测试Fe-Ni系列电催化性能 16

第4章 结论 19

参考文献 20

致 谢 21

第1章 绪论

1.1 引言

经济要更快增长则对能源提出更大需求，化石能源枯竭和环境污染令高效清洁能源的高效和开发利用迫在眉睫。由于可持续利用、无污染、取之不尽用之不竭等原因，当前，新能源资源已在供能、环保、经济等诸多方面发挥了重要作用，也引起全球的广泛关注。在环境保护与能源安全的双重施压下，技术更加成熟、更具备规模化开发条件的风能、太阳能发电等新能源在全世界领域取得了飞速发展。
对于风能、太阳能这类不稳定供能得可再生能源，想要大规模的并网发电势必对电网的安全稳定等诸多方面提出了很大的要求。特别是发电规模一旦提升，这方面的不足对电网能否持续高效地供电的影响将会被进一步放大，这种影响将会成为阻碍这类型能源的有效利用的严重障碍。将这些间歇性的可再生能源转化为其他形式的能量并储备起来，成了这类能源的进一步利用的关键，电解水制氢就是这样的一种尝试。

电解水制氢工艺简单，获得的氢气、氧气纯度高，接近百分之一百，是一种高效、清洁的制氢技术，也是极具发展前景的一门技术，而它的产物--氢气几乎是所有化石燃料以及生物燃料中发热量最高的，且燃烧快，产物燃烧产物清洁无害，燃烧产生了水又可以最为下一次制氢的原料，循环往复。随着目前可再生能源发电的日益增长，在未来，氢气将成为储能的理想载体。利用氢气这种形式将可再生能源进行存储，就好像利用大坝进行水电相互转化存储，通过这种方法，可以有效提高可再生能源的利用，提供稳定的能量供给，根据实际需要，还可将氢能转化为其他液态燃料等，可以进一步提供更多的应用场景和多样性。