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低维非贵过渡金属化合物与MOF复合材料的电催化性能及

机理研究

中文摘要

随着世界各国对清洁能源的需求量的增长，发展洁净、可再生的新能源成为当今世

界的当务之急。电解水制氢是一种高效的、可持续的、可再生的新能源。当前，最主要

的析氧(OER)电催化剂是贵金属及其氧化物，然而，由于成本过高、耐久性有限、自然

资源稀缺等问题，限制了其大规模商业化应用。因此我们需要寻找一种非贵金属电催化

剂。金属有机框架(MOFs)具有大的孔隙率等优点，可以吸附反应物，加速界面电荷从催

化剂向吸附分子的转移。双金属之间可能存在协同效应可以提高材料的催化活性，并且

Cr族元素在e和t轨道中具有未填充的d电子，其特殊的电子构型使电子更容易转移

g2g

FeCoNi

和捕获电子，有利于提高复合催化剂的导电率，，，元素具有较高的稳定性。

因此，本论文将选择非贵过渡金属Cr族和Fe，Co，Ni元素为基础去形成纳米材料和

MOF，之后通过一定的方法设计合成三种催化剂来降低电解水的过电势，具体的研究内

容如下：

（1）选择Cr族的元素(Cr和W)，首先合成WO纳米棒和CrO纳米粒子，之后在

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ZIF67合成过程当中加入WO纳米棒、CrO纳米粒子通过超声形成两种复合材料用于

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OER反应。在这项工作中，通过负载在泡沫镍上的WO纳米棒和CrO纳米颗粒分别

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与ZIF67的复合电催化剂实验结果证明，将WO纳米棒和CrO纳米粒子与ZIF67复合

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之后形成的WONRs@ZIF67以及CrONPs@ZIF67复合电极都具有出色的OER活性。

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WONRs@ZIF67和CrONPs@ZIF67样品可以利用310mV和300mV的过电势(η)驱

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动10mAcm-2。并且WONRs@ZIF67和CrONPs@ZIF67样品分别在经过54000s和

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70000s之后，仍然具有较好的电催化活性。电催化剂的优异活性和稳定性归因于氧空

位的增加以及在界面处化学键的形成。

（2）为了解决超声可能会出现负载量控制不好的缺点，提出用电沉积的办法将MOF

Cr

与低维功能材料形成复合材料。因此制备了一种基于非贵过渡金属族的氢氧化物纳

米材料与ZIF67复合的电催化剂。具体采用电沉积法首先在泡沫镍上生长氢氧化铬纳米

片(NSs)。然后，将ZIF67沉积在含有氢氧化铬纳米片的镍泡沫上，与ZIF67复合形成

I

Cr(OH)3NSs@ZIF67复合材料。在电化学工作站上表现出良好的氧析出反应，在10mA

cm-2、50mAcm-2下，所制备的复合电极的过电压分别为281mV、390mV，且在61000

s后无明显下降。

（3）制备了一种基于过渡金属Fe，Co，Ni元素的低维无机物纳米材料与MOF的

复合电催化剂。先合成双金属的NiCoO纳米线，之后在CoFe-MOF纳米片合成的过程

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当中