摘要
现阶段探索绿色能源技术代替化石能源是可持续发展的重中之重，水分解能够将可再生能源转化为氢能，是一种可持续的绿色转换技术，但是受到了析氧反应(OER)动力学的制约，难以大规模应用。其次，生物质氧化代替OER在热力学上是极为有利的，而且生物质能源在自然界储量大，可以电催化转化为化学品，但是生物质电催化氧化也受到动力学缓慢的制约，很大程度上影响了燃料电池的放电性能。所以，太阳能作为一种可再生能源就被用来促进燃料电池阳极反应的动力学转移。同时，开发高效、低成本的光电耦合非贵金属阳极催化剂材料对于降低过电位，提高制氢效率和电池性能至关重要。 本论文以光催化燃料电池阳极催化剂为研究对象，基于层状双氢氧化物(LDHs)材料的固体碱性以及热分解性能，设计构筑了过渡金属基LDHs材料，并用于燃料电池阳极氧化反应研究。在此基础上，进一步探索了其在燃料电池的应用。主要研究内容如下： 1.受LDHs层状结构的启发，以及LDHs在光催化与电催化过程中的广泛应用，提出光电协同催化OER。利用LDHs的固体碱性，开发了一种富氧空位的超薄花状LDHs纳米片，以获得优异的光辅助电催化OER性能。5∶1E-NiFe-Nss显示了优异的催化动力学和快速的电荷转移，同时可以有效捕获可见光。在1.0MKOH溶液中，光辅助条件下的超电势(267mV@10mAcm-2)降低了29mV；在0.4V外加电压下5∶1E-NiFe-Nss的光电流是5∶1NiFe-Nss的6倍。酸蚀刻产生的氧空位可以吸收更多的光波长，增强了它的内在活性，并且提供了更多参与氧化还原反应的活性位点。 2.高熵氧化物(HEOs)由于具有鸡尾酒效应、高熵效应等独特的理化性质成为最有潜力的催化材料，然而，传统的高温合成技术制备的催化剂比表面积低、暴露活性点少等缺陷导致催化活性差，受LDHs热分解转变为金属氧化物(MMO)的启发，本文以高熵LDHs(HE-LDHs)作为前驱体，通过蚀刻和焙烧策略合成高比表面积的高熵氧化物纳米片(HELOs)，并将其应用于生物质模型(甲醇、葡萄糖)的光助电催化氧化。由于超薄的纳米片层结构、丰富的氧空位和高比表面积，五元NiCoFeCuCr-HELOs-2可以有效捕获可见光，对甲醇、葡萄糖氧化具有更高的活性和更低的起始电位以及更快的电荷转移动力学，优于高温制备的HEOs。且生物质氧化代替OER，在热力学上也更为有效，理论上可以提高产氢效率。将HELOs-2作为光阳极组装葡萄糖燃料电池，开路电压、短路电流和最大功率密度分别是黑暗情况下的1.7倍、1.57倍以及2倍左右。该方法为开发简单、高效的纳米结构的HEOs提供了新的思路。
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