基于表_界面调控构筑高性能镍基催化剂及其尿素电催化氧化性能研究.pdfVIP

基于表/界面调控构筑高性能镍基催化剂及其尿素电催

化氧化性能研究

中文摘要

尿素在水-能源-食物关系中发挥着重要作用，推动了工业发展和社会繁荣。然而，

大量尿素废水未经处理直接排放到环境中，会导致生态环境遭到破坏。事实上，含尿素

废水是一种错位资源，其中含有大量的化学能和氢能，应该加以利用。值得注意的是，

尿素氧化反应（UOR）不仅具有热力学优势，可辅助实现低能耗下电解水产氢，理论上

可节约能量约70%，同时还可以降解尿素对水资源的污染。镍基材料作为一类常用的

UOR催化剂，因具有良好的催化活性和极低的成本，引起人们的重点关注。众所周知，

催化剂的活性与其暴露在表面和界面处的活性位点的数量和性质有关，因而，如何优化

催化剂的表/界面对增强催化剂的活性极其关键。基于此，本文以镍基材料为基础，利

用掺杂和材料复合等方法，调控催化剂的表面状态，改进活性位点的性质，构造新型界

面，引入氧空位以增强催化剂对尿素分子的吸附能力，进而促进催化剂的性能。具体研

究内容如下：

1.S,W共掺Ni(OH)2纳米片的制备及其尿素电氧化性能研究

在Ni(OH)2中先后掺杂W和S元素，通过两步反应成功制备出具有大比表面积的

纳米片状S,W-Ni(OH)2催化剂。研究结果表明，W和S元素掺杂可以有效调控活性中心

的化学价态。因此，S和W元素共掺杂到Ni(OH)2中可以协同促进UOR的电催化活性。

W掺杂可以防止电催化剂中Ni活性位点中毒，S掺杂能进一步增强催化剂在UOR过程

中的电荷转移过程和尿素吸附能力。因此，在Ni(OH)2中同时引入W和S元素将为设

计具有高效的UOR催化性能的镍基催化剂提供一条新的途径。

2.W掺杂Ni-Cr-OH催化剂的制备及其尿素电氧化性能研究

通过水热法制备了Ni-Cr-OH和W掺杂的Ni-Cr-OH复合催化剂，并将其用于UOR

的催化剂。研究结果表明：相对于Ni-Cr-OH催化剂，W掺杂Ni-Cr-OH催化剂具有更

丰富的孔结构，这种孔结构保证了催化剂活性位点的充分暴露，也有利于电解液扩散和

电荷传输。此外，W的引入能调控Ni-Cr-OH材料中的Ni活性位点的化学价态，降低催

化剂在UOR中的电荷转移电阻和尿素吸附电阻，进而促进催化剂的UOR性能。W的

I

掺杂量对催化剂的性能有重要影响，当钨酸盐的用量为2mmol时，W-Ni-Cr-OH催化剂

表现出最佳的催化性能，其催化UOR的电流密度能达到1657mAcm-2mg-1(0.6Vvs.

Ag/AgCl)，远高于相同条件下Ni-Cr-OH（971mAcm-2mg-1）催化剂的催化性能。

3.NiFeO-NiMoO复合材料的制备及其尿素电氧化性能研究

244

采用简单的浸渍法将NiFeO纳米颗粒负载于NiMoO上，成功制备了

244

NiFeO-NiMoO复合催化剂。利用材料复合的方法，构建催化剂新界面。新界面的形

244

成能显著增加催化剂结构中氧空位含量，促进UOR过程中催化剂表面的电荷转移进程，

从而提升催化剂催化UOR性能。与NiMoO或NiFeO催化剂相比，NiFeO-NiMoO

424244

复合催化剂表现出更优的UOR催化性能。

关键词:尿素氧化反应；Ni基催化剂；表界面调控；掺杂；复合；氧空位

II

FabricationofHighActivityNickel-BasedCatalysts

Bas