1. 研究目的与意义（文献综述）

现今，人类对化石能源的需求急剧增加，这在导致传统能源材料日渐枯竭的同时也使得人们对能源危机、能源安全以及使用化石能源所导致的环境污染问题的担忧日益增长。如果能够高效、环保、低成本地生产氢-这种安全、清洁、可持续的替代能源-将可解决不断增长的全球能源需求^[1]。

电解水制氢是清洁可再生能源发展的重要途径之一。水的电解包括析氢和析氧两个反应，制约其发展的重大挑战之一就是析氧反应（oxygen evolution reaction, oer）需要消耗极大的能量^[2]。析氧反应涉及多步质子耦合和电子转移过程，然而这个反应过程在动力学上较为缓慢，因此需要电催化剂促进反应进行、降低能量消耗^[3,4]。面向析氧反应的高效、廉价、长寿命电催化剂的开发对于电解水制氢的发展起着举足轻重的作用。至今为止，发现的最有效的电解水反应催化剂仍旧是稀有金属元素氧化物，如：二氧化铱（iro₂）和二氧化钌（ruo₂）^[5,6]。然而这些贵重金属的高成本与稀缺严重限制了它们作为高效水解催化剂的广泛使用。在过去几十年间，有大量关于设计和合成基于储量丰富的第一过渡系金属元素的廉价替代材料的研究^[7-10]。由过去的工作可以总结出，一般情况下它们的催化性能趋势为:nigt;cogt;fegt;mn^[11]。同时，由于镍基（ni-based）化合物在碱性电解液中具有较高的oer催化活性和稳定性，成为现在的研究热点。但这种材料多为半导体或绝缘体，这限制了电子从催化剂表面到电极的迁移过程^[12-14]。

为了克服上述ni-based材料存在的问题，可以尝试将其与有机配体复合形成金属有机框架材料（metal-organic frameworks，mof）。mof是一种由过渡金属原子团与有机配体之间通过共价键或离子-共价键配位作用自组装而形成的多孔材料。mof结构除了有很高的比表面积，还具有多样性结构和多种不饱和金属活性位点^[15,16]。此外，这种由纳米晶与有机配体形成的三维（3d）结构不仅具有大的比表面积和多的活性位点，同时可以顺利地释放产生的氧气，从而提升oer反应效率。石墨烯具有高的电子电导，大的比表面积和可控的表面缺陷^[17]。利用石墨烯表面的羟基、羧基、羰基等官能团与mof组装形成的多孔石墨烯材料具有高的化学稳定性、良好的导电性、高的比表面积的特点。由于两者的协同作用，使其具有很高的oer催化活性^[18-20]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1. 基本内容

(1). Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯的合成

通过水热法和煅烧工艺，合成Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯。

(2). Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯的结构表征

利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线电子能谱分析（XPS）、傅立叶转换红外线光谱分析（FTIR）等对材料的物相、形貌、结构和元素状态等进行表征，为结构-性能相关性提供分析支撑。

(3). Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯电催化析氧活性测试

利用电化学手段研究Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯及其对比样的电催化析氧活性。

(4). Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯电催化析氧机理的揭示

结合材料的结构表征和电催化性能测试，综合分析材料析氧反应的本征电催化机制。

2.2. 研究目标

(1). 成功构筑“Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯”。

(2). 获得高效率、长寿命的析氧电催化剂。

(3). 探索“Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯”的电催化析氧机制。

2.3. 拟采用的技术方案及措施

针对OER电催化剂低效率、寿命短的问题入手，拟从电催化剂的设计构筑、结构表征、电催化性能测试和理论分析入手，开展相关工作，具体的技术方案和路线如下：

2.3.1. 技术方案

(1). 材料的合成

Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯：利用优化的水热法，通过控制反应物的浓度、反应温度和反应时间，确定Ni-MOF@石墨烯的最优合成方案。进一步地，利用煅烧的工艺，实现Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯的合成。

作为对比，还将合成不同煅烧温度的Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯。

(2). 材料的表征

利用XRD、SEM、TEM、XPS、FTIR等对材料的物相、形貌、结构和元素状态等进行表征，为结构-性能相关性提供分析支撑。

(3). 材料性能测试

利用线性扫描伏安法（LSV）、循环伏安（CV）等电化学手段测试不同煅烧温度下的Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯在1 M KOH水溶液中析氧反应的催化效率和稳定性。

(4). 理论分析及归纳总结

利用电催化性能的测试结果计算得出材料的电化学有效面积、塔菲尔斜率以及催化转换频率，并结合材料结构的表征数据，分析Ni-MOF衍生的量子点@石墨烯对OER催化活性本征影响机制。

2.3.2. 技术路线

图 技术路线简图

3. 研究计划与安排

第1-4周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第5-8周：按照设计方案，制备ni-mof衍生的量子点@石墨烯催化剂。

第9-12周：采用xrd、sem、tem、ftir、lsv、cv等测试技术对材料的物相、显微结构、比表面积、电催化性能等进行测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] chow j, kopp rj, portney pr, energy resources and global development [j], science, 2003, 302 (5650): 1528-1531.

[2] zou x, zhang y, noble metal-free hydrogen evolution catalysts for water splitting [j], chemical society reviews, 2015, 44 (15): 5148-5180.

[3] gong m, li y, wang h, et al., an advanced ni–fe layered double hydroxide electrocatalyst for water oxidation [j], journal of the american chemical society, 2013, 135 (23): 8452-8455.