摘要
直接尿素燃料电池(DUFC)是一种以尿素作为燃料的发电装置，然而，由于阳极的尿素电氧化反应动力学缓慢，且催化剂多为贵金属，限制了DUFC的商业应用。因此，制备一种高效、平价、性能稳定的阳极催化剂是解决上述问题的关键。研究发现镍磷基材料在很多领域表现出高活性和稳定性，且制备方法简单、成本低。本文以高导电性的泡沫镍作为基体，通过水热法、电沉积法、磷化法制备多种高活性的镍磷基催化剂，进行一系列电化学测试，探究其对尿素电氧化的催化性能。主要工作如下: 通过水热法在泡沫镍骨架生长一种纳米片状的镍铁水滑石前驱体，再于管式炉进行磷化处理，得到Fe2P-Ni2P@NF。纳米片近似垂直生长在泡沫镍表面，且纳米片之间相互交错存在空隙，有利于电解液在催化剂表面的传输以及产物气体的扩散，这种三维结构使Fe2P-Ni2P@NF电化学活性表面积高达69.67cm2。非金属P可以调节Ni的电子结构产生更多的反应位点，另外，镍铁磷化物中Ni2P与Fe2P还存在协同作用，使得Fe2P-Ni2P@NF具有良好的催化活性，循环伏安测试曲线显示，在5mol·L-1KOH和0.33mol·L-1尿素电解液中最大氧化电流密度可达844.73mA·cm-2。 为改善水热法制备的镍磷基催化剂在活化过程中部分脱落的问题，通过电沉积法和磷化法，制备Ni2P包覆的泡沫镍骨架Ni2P@NF,再经过水热反应制备出纳米片状的Ni(OH)2对Ni2P@NF基底进行修饰，得到Ni(OH)2-Ni2P@NF复合催化剂。通过循环伏安法探究Ni(OH)2-Ni2P@NF的最佳测试条件为5mol·L-1KOH和0.22mol·L-1尿素，在该溶液中，0.6V的氧化电流密度可以达到933.14mA·cm-2,电化学性能高于负载单一催化剂的Ni2P@NF和Ni(OH)2@NF。电沉积法制备的Ni2P@NF有效地提高了镍磷催化剂稳定性，0.5V的计时电流曲线经过1800s的测试仅下降15.6mA·cm-2,Ni(OH)2纳米片对Ni2P@NF的进一步修饰，提高了催化尿素电氧化的动力学过程。 在磷化镍基材料的基础上，开发一种具有特殊形貌的新型镍磷基衍生物催化剂，进一步提高对尿素电氧化的催化活性。通过水热法、磷化法制备纳米线状的NiMoO4-Ni2P4O12@NF催化剂，优化制备条件，当水热温度为150℃,时间为6h,镍钼反应物的量比例为1∶1时，纳米线结构最均匀，催化性能达到最佳。经过XPS分析，NiMoO4-Ni2P4O12@NF催化剂中本身含有Ni3+,在碱性介质中可直接生成NiOOH;此外，MoO42-中的Mo6+、P4O124-可以促进Ni2+的氧化反应，提高NiOOH的生成速率，进而提高催化尿素电氧化反应速率。相比于镍钼氧化物和镍钼前驱体，NiMoO4-Ni2P4O12@NF展现出优异的电催化活性。通过循环伏安法对NiMoO4-Ni2P4O12@NF进行电化学性能测试，在5mol·L-1KOH和0.33mol·L-1尿素电解液中，最高氧化电流密度为1025.52mA·cm-2。
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