摘 要

将水分解成化学燃料如氧气和氢气为解决对化石能源日益增长的需求，提供了一个有潜力和绿色的战略。然而，由于多电子转移反应有着大的过电位，反应缓慢，水氧化半反应（即氧气析出反应（OER））被认为是整个水分解过程中的限速步骤，并且O = O键形成需要高活化能。因此，开发高效电催化剂对于应对这一挑战至关重要。到目前为止，钌（Ru）和铱（Ir）基材料被认为是最有效的OER电催化剂。然而，这两种贵金属催化剂的高成本和储量相对稀少大大限制了其大规模应用。人们已经在努力寻找高活性的非贵金属的OER电极催化剂。在这项研究中，我们研究了使用金属有机骨架作为前驱体负载，在3D氮掺杂石墨烯泡沫上合成了中空菱形十二面体CoS_x，并进一步应用于氧析出反应（OER）。 CoS_x的高活性与3D氮掺杂的石墨烯泡沫的优异导电性之间的协同作用使该材料对OER的催化性能大大提高。

关键词: 产氧反应；金属有机框架（MOF）；CoS_x；三维氮掺杂石墨烯海绵

Abstract

Water splitting into chemical fuels such as oxygen and hydrogen provides a promising and green strategy to solve the increasing demands for fossil energy. However, the water oxidation half-reaction, namely oxygen evolution reaction (OER), is regarded as a rate-limiting step in the whole water splitting process because of the large overpotential associated with the multielectron transfer reaction being sluggish, and high activation energy for the O=O bond formation. Therefore, developing a highly efficient electrocatalyst is crucial to address this challenge. Up to now, ruthenium (Ru) and iridium (Ir) based materials are considered as the most efficient OER electrocatalysts. However, the high-cost and relative scarcity of such noble-metal catalyst greatly limits their large-scale applications. Great efforts have been stimulated to searching for high-activity and noble-metal free OER electrocatalysts. In this study, we report the synthesis of hollow rhombic dodecahedral CoS_x anchored on 3D nitrogen doped graphene foam using metal organic frameworks as precursor and further their applications in the oxygen evolution reaction (OER). The synergy between the high activity of CoS_x and the excellent conductivity of 3D nitrogen doped graphene foam leads to the superior performance of the hybrid toward the OER.

Key words：Oxygen evolution reaction (OER)；MOF; CoS_x; 3D nitrogen doped graphene foam

目录

摘 要 I

Abstract I

第1章 绪论 3

1.1 研究背景及意义 3

1.1.1电催化分解水的历史 3

1.1.2 催化剂的研究背景及意义 3

1.2 电催化产氧反应 4

1.3 硫化钴负载氮掺杂石墨烯材料 5

1.3.1 石墨烯电极材料 5

1.3.2 金属硫化物 5

1.3.3氮掺杂对石墨烯材料性能的改性 6

1.3.4 MOFs材料简介 6

1.4 本课题主要研究内容 7

1.4.1 研究目标 7

1.4.2 研究内容 7

第2章 实验过程及方法 8

2.1 实验试剂及设备 8

2.1.1 实验试剂 8

2.1.2 实验设备 8

2.2 实验过程 9

2.3 样品形貌结构表征方法 10

第3章 结果与讨论 11

3.1 样品的形貌结构表征 11

3.3.1 XRD样品结构表征 11

3.2 样品的电化学性能表征 15

3.2.1 样品的线性伏安扫描曲线(LSV)和Tafel曲线分析 15

3.2.2 样品的电化学阻抗谱(EIS)分析 18

3.2.3 样品电化学稳定性分析 19

第4章 结语 20

参考文献 22

致谢 25

绪论

研究背景及意义

1.1.1电催化分解水的历史

到目前为止，人们认为制备高纯度氧气和氢气的最清洁办法是电催化分解水技术。由于地球上水资源巨大，可再生，来源丰富，所以人们就希望通过分解水获得氢气和高纯氧气。在1789年，人们发现将电流通过电解液时，电极上会发生氧化还原反应，从此开发出了电解技术，这一发现实现了能量转换的新途径。1800年，人类第一次使用电能分解水。Nicholson和Carlisle发现电能可以使水分解。20世界初，世界上有了数百家水分解工厂。在工业生产和实验研究中发现，酸性电解质对电极腐蚀作用大，且价格昂贵，相比之下碱性电解质价格便宜且对电机伤害较小，所以碱性电解液（如KOH）成为一种惯用选择。在工业上，电解水所用的电解池通常电压为1.8-2.0 V。现在，电分解水每产生1 m³氢气需要消耗4-5 KW ▪h的能量，所需能量较高，因此电解水技术无法大规模生产氢气和氧气。

1.1.2 催化剂的研究背景及意义

随着社会和经济的不断发展，传统的以化石能源为主的能源消费已不符合我国现阶段的建设需要，传统化石能源高消耗，高排放，低产出的问题制约着我国经济发展。近半个世纪以来，人们一直在寻找合适的清洁可再生新能源，实现人类的可持续发展。

目前，可再生能源主要包括太阳能、风能、潮汐能和地热等。但是这些可再生能源的供应稳定性差，技术不成熟，对设备要求高，而且受地域限制较大，目前还不能大量利用，易造成能源的浪费。将这些可再生清洁能源转换成电能储存起来供人类使用是目前不错的解决办法。