摘要
化石能源的过量消耗所造成的环境污染问题极大地促进了对清洁、绿色可持续能源的需求。电化学水分解被认为是最具发展前景的绿色制氢策略之一。其中，阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)是影响电化学水分解效率的关键。尤其是，OER涉及多个质子和电子转移，反应动力学缓慢严重限制了其水分解的整体效率。Ru和Ir基金属氧化物是目前最高效的析氧催化剂，但由于本身的稀缺性和高成本，制约了其商业化应用的进程。因此开发高效、稳定的非贵金属基OER电催化剂成为材料、化学和能源领域的研究热点之一。 金属有机骨架(MOFs)衍生材料的电催化剂具有高电化学表面积、高孔隙率和可以改善导电率和电荷转移等优势。因此，本文制备了一系列自支撑式MOFs衍生电催化剂，通过形貌设计、杂原子掺杂、构建异质结和组成优化等策略，对它们的电催化性能进行了调控，并揭示其对OER动力学过程的作用机制。主要研究内容及结果如下： 1、以泡沫铜为基底，采用原位生长Cu(OH)2纳米棒阵列、三金属CoNiCu-MOF以及MOFs衍生LDH微花结构的三步策略，将三维微花状CoNiCu-LDH组装在基底上，成功制备了CoNiCu-LDH@CuO/CF自支撑电极。该电催化剂的三维分层微花结构可最大程度地暴露催化活性位点。由于CoNiCu-LDH层间存在大量配位不饱和的金属离子和自由阴离子，有效地提高了电子和离子的转移速率。此外，CoNiCu-LDH@CuO/CF具有超亲水的表面特性，极大地促进了电极在大电流密度下的传质。得益于上述优势，该自支撑电极在碱性电解质中具有出色的OER性能，过电位仅需286mV即可达到100mAcm-2的电流密度；同时，其HER的过电位仅为268mV。CoNiCu-LDH@CuO/CF电极也展现了优良的全解水性能和稳定性。 2、以泡沫镍为基底，首先采用水热法原位生长Ni(OH)2阵列，然后在其表面插入NiFe-MOF纳米片，最后通过低温磷化法生成双金属磷化物，成功将Ni2P-Fe2P异质结构组装在基底上，制备了Ni2P-Fe2P/NF自支撑电极。该电催化剂的三维异质结构不仅可以提供与电解质和中间体充分接触的丰富活性中心，促进电荷转移和质量传输，还暴露了更多的催化活性位点。Ni-Fe的协同效应可以调节活性位点的电子结构，降低反应能垒。P的引入可以增强电极的耐腐蚀性，使其拥有优异的稳定性，同时还可以提升催化剂的电子传输性能，可以产生更多的活性位点。得益于上述优势，Ni2P-Fe2P/NF自支撑电极在碱性电解质中表现出优异的OER活性，在电流密度为100和200mAcm-2时，过电位仅为218和226mV，展现了优异的OER性能和稳定性。证实了Ni2P-Fe2P/NF电极的设计合理性，为非贵金属OER电催化剂的制备提供了新的思路。
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