温度对镍铁氧化物膜电极在碱液中析氧行为的影响

用直流磁控溅射设备制备的镍铁氧化物薄膜作为电解水的阳极材料在不同温度的1M KOH溶液中析氧活性不同。当电流密度为10mA／cm^2时，过电位由22℃时的299mV下降到60℃时的292mV。在低过电位区，Tafel斜率b为27～28mV／dec；高过电位区，Tafel斜率为130～150mV／dec，并未发现斜率的突变。说明在一定范围内温度的提高并未改变析氧的速控步骤，同时该过程的动力学数据还表明电极析氧反应的可逆性没有显著变化。

溅射气压对镍铁氧化物催化薄膜在碱性溶液中析氧特性影响的研究

采用对靶直流磁控溅射设备制备镍铁氧化物催化薄膜,研究了溅射气压与催化薄膜的结构、表面形貌、过电位、电阻率及生长速率之间的关系。实验结果显示在溅射气压从0.5Pa到4.0Pa的范围内变化时,随溅射气压升高,材料晶化率降低,生长速率下降,过电位和电阻率都是先减小再增大;对用不同铁含量的镍铁合金靶制备的催化薄膜的极化特性比较发现,靶材中铁的含量越多过电位越小。

碳纸负载的镍铁氧化物电催化水氧化研究

采用二甲基甲酰胺制成的混合溶液溶解不同比例的镍铁氧化物,以多孔碳纸为基底,聚乙烯吡咯烷酮为黏结剂,通过浸渍,煅烧硫化等方式制备不同镍铁摩尔比的阳极催化电极(Ni_(x)Fe_(1-x)Oy/CP)。采用XRD和SEM对该电极的晶体形态和微观形貌进行表征。研究了该电极在0.5mol/L的硫酸中的电化学性能。结果表明,碳纸负载的镍铁硫化物电极在酸性中的电解水催化性能规律为:50%:50%>80%:20%>60%:40%>0:100%>20%:80%>40%:60%>100%:0且Ni:Fe比为50%:50%开始发生电解水反应的电压为1.33V,维持10 mA/cm^(2)所需电解槽两端的电压为1.55V,该比例的催化电极在电催化水氧化分解中,表现出较高的催化活性和稳定性。

镍铁双氢氧化物的响应曲面法优化生长和电催化析氧性能研究

采用腐蚀工程制备了层状镍铁双氢氧化物电催化剂,利用X光衍射、场发射扫描电镜、高分辨透射电镜和光电子能谱等对样品物理化学特性进行了表征,采用线性伏安特性曲线、塔菲尔曲线、电化学阻抗谱、循环伏安特性以及恒电流下电势-时间曲线对样品电催化析氧特性进行了详细分析。在单因子实验的基础上,以50 mA·cm^(-2)对应析氧过电位为响应因子,用响应曲面法对影响催化剂性能的主要因素进行了优化,建立了泡沫镍铁腐蚀后析氧过电位的多项式模型,得出的优化制备条件为腐蚀温度80℃、时间9 h、NiSO_(4)浓度9 mmol·L^(-1)。在该条件下制备的样品在10 mA·cm^(-2)下的过电位为200 mV,Tafel斜率为52.5 mV·dec^(-1);50 mA·cm^(-2)电流密度下经过48 h连续测试,其OER催化活性仍能保持在95%,比起商用RuO_(2)电极显示出优良的电催化活性。

基于镍铁层状双氢氧化物的氧析出催化剂:催化机制、电极设计和稳定性

近几十年来,氧析出反应因其在能量储存和转换技术中的关键作用而受到了广泛关注。然而,它需要高效的催化剂例如IrO2和RuO2,来加速其缓慢的反应动力学。在所开发的低成本材料中,镍铁层状双氢氧化物(NiFe LDH)较为有前景,其在碱性电解质中表现出出色的氧析出性能,过电位很低,在10 mA·cm^(-2)处仅需200-300 mV。虽然人们在开发基于NiFe LDH的高效电催化剂方面做出了巨大努力并取得了一些成果,但是要进一步降低其过电位具有相当的挑战性。为了克服这个瓶颈,就需要明确识别其活性位点和催化机理,从根本出发来探究新的解决方案,以获得具有超低过电位的催化剂。本综述首先回顾了NiFe LDH的结构、组成和发展历史。虽然人们在研究催化活性位点和机制方面付出了巨大努力,但其真正的催化位点和机制仍然是模棱两可并存在争议的。我们对催化位点研究的代表性工作进行了全面分析,希望对催化机理和活性位点能提供一些深入认识和理解。此外,我们还就增强其催化活性的各种策略,如杂原子掺杂和引入空位等,进行了总结并基于电子和几何结构对其活性提高原理进行了分类,为开发高性能的NiFe LDH基催化剂提供新的见解和方向。此外,催化剂的稳定性,尤其是在高电流密度等技术条件下的稳定性至关重要,但常常被人们忽视。最新的研究表明,NiFe LDH基催化剂在高电流密度下运行一段时间就会出现严重的活性衰减。因此,本综述强调了稳定性问题的重要性,以引起更多研究者对此问题的关注,并分析了NiFe LDH基催化剂的衰减机理,总结和讨论了基于这些衰减机理开发的改善稳定性问题的最新策略。最后,本综述讨论了制备兼具优异催化活性和稳定性的NiFe LDH基的高效催化剂的可能发展方向。

泡沫镍原位生长普鲁士蓝类似物构筑镍铁双金属氧化物催化剂的氧析出反应性能研究

开发高性能、低成本的氧析出反应(OER)催化剂对促进电解水制氢降低电耗、提高经济性具有重要意义。以导电泡沫镍为基底,采用冰水浴法原位生长镍铁普鲁士蓝类似物,氧化制备了镍铁双金属氧化物催化剂。分别采用X射线衍射、扫描电镜、高分辨率透射电镜和X射线光电子能谱方法对催化剂的物相组成、微观形貌和表面化学状态进行了表征,并采用电化学测试表征了催化剂的OER催化性能。结果表明,当氧化温度为200℃、氧化时间为2 h时,制备的催化剂中镍铁双金属氧化物高度分散在泡沫镍基底上,纳米颗粒最小,平均粒径为71 nm,可暴露的催化反应活性位点多,表现出最优的OER催化性能。该催化剂在1.0 mol/L的KOH电解液中,电流密度为10 mA/cm^(2)时,过电位仅为272 mV,并在电流密度为100 mA/cm^(2)时稳定运行了40 h,表现出优异的OER电化学稳定性。

CuCo_(2)O_(4)/NiFe层状双金属氢氧化物核壳纳米花球阵列的高效析氧反应

采用界面工程策略在泡沫镍(NF)上制备了CuCo_(2)O_(4)/NiFe层状双金属氢氧化物(LDH)(CuCo_(2)O_(4)/NiFe-LDH@NF)核壳纳米花球阵列。研究表明,电子通过CuCo_(2)O_(4)和NiFe-LDH耦合界面发生转移,导致核心CuCo_(2)O_(4)处于富电子状态,从而提高了反应速率。非晶态NiFe-LDH外壳不仅为电子/物质提供更多的传输通道和增加活性位点。同时,还能在电催化析氧反应(OER)中保护核心CuCo_(2)O_(4)免受强碱腐蚀。因此,在1.0 mol·L^(-1)KOH溶液中,将CuCo_(2)O_(4)/NiFe-LDH@NF用作OER催化剂时,仅需191mV的低过电位即可实现10 mA·cm^(-2)的电流密度和31 mV·dec^(-1)的低Tafel斜率。此外,CuCo_(2)O_(4)/NiFe-LDH@NF在长时间的工作中能够保证催化性能、晶体结构、形貌结构和组成的稳定。

镍铁层状双金属氢氧化物在不同pH电解液体系中的析氧反应

利用可再生电力驱动水分解提供了一种绿色和可持续的方式来生产氢气(H_(2)),而提高水分解效率的关键是开发高效的电催化剂.作为水分解反应的阴极,析氢反应(HER)仅需要两电子转移,目前的研究较为成熟.相比之下,析氧反应(OER)因涉及四个电子的转移,比HER过程更复杂.在众多析氧催化剂中,镍铁(NiFe)基电催化剂是碱性电解液体系中最佳的OER催化剂之一,然而其在中性及近中性体系中活性降低较多,从而限制了其在中性的海水电解及二氧化碳还原体系中的应用.目前,造成NiFe基催化剂在中性体系中性能较差的具体机制尚不清晰.文献报道,随着体系pH逐渐降低,NiFe基催化剂析氧性能也会随之变差;深入研究发现,碱性体系中更易于形成高价的Ni,Fe物质,但其是否对催化剂在水分解过程中有影响仍有待进一步研究.本文将电化学测试与原位光谱技术相结合,对镍铁层状双金属氢氧化物(NiFe LDH)在不同pH电解液体系中的析氧反应机理进行深入研究.电化学测试结果表明,随着pH值逐渐降低,NiFe LDH催化剂的析氧性能逐渐变差.原位表面增强拉曼光谱结果表明,不同pH电解液体系中NiOOH和“活性氧”物质的形成与施加的阳极电位有关,高价Ni物质在高pH电解液中更容易形成,而在中性及近中性体系中则需要较高的电位才可以形成.引入原位^(57)Fe穆斯堡尔谱以观察稳定阳极电位条件下Fe氧化态的变化,测试结果表明,高价的Fe^(4+)物质在碱性条件容易形成,而对于中性及近中性体系中,在高施加电位下仍旧难以形成Fe^(4+)物质.为探究高价态Ni,Fe是否影响NiFe基催化剂的析氧性能,利用电化学活化方法构筑了具有Ni^(3+)和Fe^(4+)物质的NiFe CVA_(500)(500圈CV循环)催化剂,保证其在不同的pH电解液体系中保持相同的初始反应状态.在对应pH体系中,电化学活化的NiFe CVA_(500)催化剂相较于原始的NiFe LDH性能有所提升,但在中性体系中的OER性能仍然低于碱性体系中的性能.基于电化学及原位光谱测量结果表明,Ni^(3+)和Fe^(4+)物质的形成并不是影响不同pH条件下OER性能的决定性因素.OER电化学性能、动力学研究和甲醇氧化实验结果发现,NiFe LDH在不同pH体系中的析氧反应决速步是不同的,在碱性电解液体系中,其决速步是从*O到*OOH,而中性体系中*OH的形成为决速步.综上,本文为阐明NiFe基催化剂在不同pH电解液体系中的OER反应机制提供了新的见解.

镍铁基层状双氢氧化物析氧反应研究进展

近年来,能源危机、环境污染等问题导致了人们对开发高效清洁能源的迫切需求。氢气作为一种具备广泛应用前景的可替代能源,可通过电解水制备。然而,电解水制氢过程主要受制于阳极缓慢的析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)过程。镍铁基层状双氢氧化物(nickeliron layered double hydroxide,NiFe-LDH)由于其具备独特的层状结构、成本低廉、含量丰富且催化性能优异等特点,近年来被广泛研究。综述了通过晶格掺杂、空位缺陷和表面修饰对NiFeLDH化合物进行改性的最新研究进展,简要讨论了改性NiFe-LDH化合物研究过程中遇到的挑战和前景。

用于电解水制氢的镍铁层状双氢氧化物改性研究进展

镍铁层状双氢氧化物(NiFe-LDH)具有独特的化学组成和结构特性,因其价格低廉,比表面积大、层状结构可控,而且表现出较为突出的催化析氧活性,被认为是有开发潜质的非贵金属析氧催化剂。但NiFe-LDH存在电导率低、表面活性位点不足等问题,限制了电子转移效率,影响了析氧反应的进行,目前还无法满足电解水制氢的实用性要求。因此,对NiFe-LDH在合成方法改进和本征活性改进2个方面进行综述,为深入探索NiFe-LDH的合成及应用提供思路,并对NiFe-LDH在电解水析氧反应中的应用发展进行展望。

教学教改无机化学实验融合前沿科学成果——三维镍铁双金属氢氧化物纳米催化剂的可控制备

化学是一门以实验为基础的学科,而无机化学实验是大学化学实验的开端和基础。基于无机化学实验过渡金属铁钴镍部分教学内容,有机融合前沿科学研究成果,本论文设计了简单高效的三维镍铁双金属氢氧化物本科生实验。首先将金属泡沫导电基底进行预处理,后采用电化学还原方法在基底上可控生长三维镍铁双金属氢氧化物材料。通过本实验,学生加深了对专业知识的理解,并熟悉纳米金属氢氧化物材料的合成方法、结构表征和相关应用,有利于专业视野的开阔和创新思维的培养,以科研促教学,全面提高学生科学素养。

镍铁锰氢氧化物粒度测试条件研究

采用激光粒度法对镍铁锰氢氧化物粒度分布进行测试,研究材料超声功率、超声时间、搅拌速度、遮光度对镍铁锰氢氧化物颗粒粒度测试结果的影响,结果表明:超声功率P/80%(40W)、超声时间2min、搅拌速度2000rpm、遮光度10%—20%为较优测试条件,在该条件下对镍铁锰氢氧化物粒度分布进行测试,样品的分散比较理想,测试结果较为准确可靠。

固相反应制备镍铁铜复合纳米氧化物粉体

The reaction precursors were synthesised by solid state reaction of H 2C 2O 4·2H 2O with NiSO 4·6H 2O and Fe(NO 3) 3·9H 2O,CuSO 4·5H 2O,at room temperature.The brown black nanomater Ni 1.5 FeCu 2.5 O 5.5 with the averages of 60nm was obtained by decomposition of precursors CuC 2O 4·2H 2O,Fe 2(C 2O 4) 3·5H 2O,and NiC 2O 4·2H 2O for about 3 hour at 410℃.The composition,size,appearance and properties of the product was studied by TG,XRD,TEM and SEM.

镍铁层状双金属氢氧化物催化臭氧去除双酚A的试验

采用共沉淀的方法合成镍铁层状双金属氢氧化物,通过X射线衍射(XRD)研究不同镍铁金属摩尔比例对镍铁层状双金属氢氧化物晶型的影响;设计单因素试验,研究催化剂投加量、pH、臭氧浓度、镍铁金属摩尔比例等因素对双酚A(BPA)去除效果的影响;探讨催化臭氧氧化去除BPA的反应机理。XRD图显示当镍铁金属摩尔比为3∶1时,镍铁层状双金属氢氧化物的结晶度最好。试验结果表明:在BPA初始浓度为10 mg/L、pH值为8.2、臭氧浓度为9.0 mg/L、催化剂投加量为0.3 g/L、镍铁金属摩尔比例为3∶1的条件下,含BPA废水的总有机碳(TOC)去除率高达89%。通过羟基自由基抑制剂反应试验,观察到TOC和BPA的去除率均有所降低,说明催化臭氧反应过程中存在羟基自由基氧化作用。

纳米钨镍铁复合氧化物粉的新法制备

研究制备了分散均匀的纳米W-Ni-Fe复合盐.以化学共沉淀法制备的盐在600℃下氧化,可得W-Ni-Fe复合氧化物,检测分析显示W-Ni-Fe复合氧化物粉的晶粒直径XRD-d为36 nm,W-Ni-Fe复合氧化物粉的颗粒粒径BET-d为98 nm;从SEM图分析看出该复合氧化物粉颗粒团聚性低,压坯EDXS的表面电子图像和元素面分布图显示该复合氧化物粉中W、Ni、Fe元素分布状态是高度均匀分布.

等离子体处理的V掺杂镍铁基电催化剂用于高效析氢

该文采用一步水热法在泡沫镍表面原位生长V掺杂的镍铁层状双氢氧化物(NiFe LDH),结合H_(2)等离子体还原法,构建Ni纳米粒子锚定在大量氧空位和镍空位上的异质结构,增加活性位点数量,提升NiFe LDH的HER活性。结果表明,在1 mol/L的KOH电解液中电流密度为10 mA/cm^(2)下催化剂的过电势仅为37.5 mV,Tafel斜率为49 mV/dec,经过100 h的恒电流测试其析氢活性无明显衰减。此外,全解水测试中其同样具有良好的析氢活性和稳定性,10 mA/cm^(2)电流密度下全解水电压仅为1.57 V,经过1000 h的恒电流测试其析氢活性无明显下降。

镍铁氢氧化物中空纳米管电催化析氧性能研究

电催化整体水分解是目前实现氢能源大规模生产最有前景的可持续方法之一,但是受到析氧反应(OER)动力学缓慢的限制,较大的能量转换损耗使其工业成本较高。开发用于替代贵金属基催化剂的高效、低成本的OER电催化剂迫在眉睫。本文采用一种简单地牺牲模板法,制备了一系列具有不同元素组成的二元氢氧化物中空纳米管,利用元素协同作用和空间结构优势提升催化效果。其中NiFe氢氧化物纳米管展现出最佳的电催化性能,10 mA∙cm-2下的过电位仅需270.5 mV,Tafel斜率仅为80.8 mV∙dec-1。同时电化学表征结果显示,中空纳米管特殊的分层片状结构可以提供高额电化学活性面积,同时镍铁之间的协同作用可以有效提高材料的本征活性。

三电极体系对NiFe-LDH光阳极光电化学动力学的影响

研究了不同镍铁质量比的镍铁双氢氧化物的光电化学催化性能,并得到了催化活性最佳时的镍铁质量比为9∶1.重点考察了三电极体系的测试条件对Ni_(0.9)Fe_(0.1)-LDH光阳极光电化学动力学的影响.研究结果表明:电解池的测试结果与其透光率有关,使用石英电解池测得的工作电极光电流密度为5μA/cm^(2),是使用聚四氟乙烯电解池测得的工作电极光电流密度的5倍,但聚四氟乙烯电解池受自然环境背景光的影响小,结果更真实可靠;使用Hg/HgO作为参比电极,测试结果更加准确,虽然使用Ag/AgCl作为参比电极在相同条件下测得的光电流密度是使用Hg/HgO作为参比电极测得的光电流密度的2.5倍,但AgCl在碱性电解液中可产生Ag^(+),增大了体系中的电荷转移速率,影响了测试结果的准确性.在碱性电解液中,与石墨电极相比,铂片电极稳定性较差,不利于呈现接近真实情况的测试结果.

富氮洋葱碳包覆的Ni/NiFe2O4纳米棒析氧电催化剂

将镍铁金属配位聚合物前驱体在惰性气氛下热分解制备了富氮洋葱碳(ONC)包覆的Ni/Ni Fe_2O_4多孔纳米棒复合析氧电催化剂,与Ni@ONC,Ni Fe_2O_4材料及传统Ru O_2催化剂相比,得益于这种富氮洋葱碳包覆的Ni/Ni Fe_2O_4一维多孔纳米异质结构,Ni/Ni Fe_2O_4@ONC材料拥有更优异的导电性能和更大的电化学活性面积(0.149 m F),因而表现出更优异的析氧电催化性能。Ni/Ni Fe_2O_4@ONC纳米棒在1 mol·L^(-1) KOH溶液中,10 m A·cm-2下的析氧过电位仅为299 m V,塔菲尔斜率为73 m V·dec-1,展现出优异的析氧稳定性能。

复合磁性纳米NiFe_2O_4的制备及光谱特性

用微乳液化学剪裁方法制备了明胶包裹的复合纳米NiFe2 O4 。将明胶和亚铁盐以及镍盐制成凝胶 ,使该凝胶状反应物在微乳液的胶束中剪裁成微粒 ,再被还原 化合 成核长大。生成的微粒处于明胶蛋白分子的包裹之中。用XRD ,TEM ,EDS ,IR等测试表明 :微粒为明胶包裹球形纳米微粒。微球的平均粒径为 10～10 0nm ,单个微粒的粒径 3 3～ 4 6nm。每个复合微球中约有 3～ 2 2个NiFe2 O4 粒子。NiFe2 O4 复合微粉的比饱和磁化强度σs=36 31× 10 3 4π(A·m- 1 ·g- 1 ) ,矫顽力Hc=6 75 0A·m- 1 ,剩磁Br=4 39× 10 3 4π(A·m- 1 ·g- 1 )。