摘要
日益增长的能源需求和环保意识促进了对绿色可持续能源的研究。氢气能量密度高，燃烧产物无污染被认为是替代化石燃料的先进可再生新能源。水分解是环境友好且可持续的制氢途径，但过高的反应活化能限制了其工业化应用。铂、铱、钌等贵金属基材料是当前降低能量损耗的先进催化剂，但它们储量稀少价格高昂无法满足工业需求，因此开发经济高效的电催化剂至关重要。钴基氧化物成本低廉，耐强碱腐蚀而且表现出了有潜力的催化活性，故在电催化领域受到了越来越多的关注。然而，钴基氧化物作为析氧反应/析氢反应（OER/HER）电催化剂仍有较大的优化空间。本论文针对不同反应中的具体问题通过空位工程，形貌调控，构建异质结构等进行了有效改善。 （1）(Co,Fe)3O4中配位环境不同的Co2+和Co3+的OER活性差异显著，故催化剂表面钴离子电子结构的变化将对OER性能产生显著影响。空位工程是修饰电子结构的有效策略之一，本文采用室温还原法成功制备了富含氧空位的VO-(Co,Fe)3O4/CC分级纳米片结构。氧缺陷优化了电子性质增加了Co2+/Co3+的比例，有效提高了电子传输效率和活性中心的数量。其分级纳米片阵列形貌不仅缩短了离子和电子的扩散距离，而且还增加了催化剂表面活性位点的数目。该电极在1MKOH中具有出色的OER活性和稳定性，10mAcm-2时的过电势仅为286mV，Tafel斜率为41mVdec-1，而且在10mAcm-2的恒定电流密度下连续运行24h后活性几乎无衰减。 （2）不同过渡金属化合物之间的强烈电子相互作用有助于催化剂电子结构的改善。为此构建了α-Co(OH)2/Co3O4/CC异质结构，紧密异质界面的形成诱导了两相间电子的转移和新活性中心的形成。催化剂与碳布的紧密接触赋予了电极更快的电子和质子传输。优化后的α-Co(OH)2/Co3O4/CC-600s在1MKOH中有着杰出的OER活性，电流密度为10mAcm-2时的过电势低至275mV，与α-Co(OH)2/CC和Co3O4/CC相比分别降低了47和84mV，同时降低的Tafel斜率（76mVdec-1）证明了动力学的改善。 （3）为提高CoO电子导电性促进其在HER中的电子转移，通过简单的两步法在碳布上合成了超薄非晶碳层包覆的氧化钴纳米片阵列（C@CoO/CC）。碳层调节了CoO的电导率，降低了电化学阻抗，提高了电荷和传质效率，加速了HER动力学过程。而且碳涂层也起到了保护层的作用，在强碱条件下其HER活性和稳定性均明显优于单纯的CoO/CC，与之相比复合电极在-10mAcm-2时的过电势降低了128mV，而且在20h的稳定性测试中HER活性的衰减程度也远小于CoO/CC，几乎可以忽略。
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