直接甲醇燃料电池具有清洁、便携、能量转换效率高等优点,极具发展前景。Pt和RuO2等贵金属催化剂对甲醇氧化反应有优秀的催化活性,但其较高的成本和易发生CO中毒的缺点,制约了其进一步应用。为了解决这些问题,需要发展替代的催化剂。过渡金属元素在自然界含量丰富,其化合物多种多样,在超级电容器、锂离子电池等领域已有广泛的应用,但在直接甲醇燃料电池领域应用较少。 本论文以过渡金属氧化物为研究对象,通过简易可控的方法在泡沫镍(NF)上生长了ZnCo2O4,NiCo2O4和Cu2O/Co3O4等多种材料,并分析了产物的形貌和组成对电催化甲醇氧化反应性能的影响。主要内容概括如下: (1)以Zn(NO3)2、Co(NO3)2分别为Zn、Co源,尿素为矿化剂,通过溶剂热反应结合煅烧合成了负载在泡沫镍上的三维分级结构的ZnCo2O4纳米材料。探讨了产物形貌随溶剂热反应时间的演变,讨论了三维分级纳米结构的形成机理。利用循环伏安法、计时电位法和电化学阻抗谱系统地研究了经不同溶剂热反应时间制备的ZnCo2O4/NF的电催化性能,结果表明反应时间18小时所制备的产物活性最高,在10mVs-1扫速下,电流密度达到149mAmg-1(0.60 V vs.Ag/AgCl),经1000圈CV测试循环后,电流密度保持为97.6%。该ZnCo2O4纳米材料的优秀的电催化活性和稳定性跟其三维结构、多孔性、可逆氧化还原特性及在碱性电解液中的稳定性有关。 (2)通过溶剂热反应结合煅烧合成了生长在泡沫镍上石菜花状NiCo2O4纳米材料,测试了其作为电催化剂对甲醇氧化反应的催化性能,并跟相同条件下制备的Co3O4进行了对比。在扫描速率为10mVs-1时,NiCo2O4/NF和Co3O4/NF电极在0.60V(vs.Ag/AgCl)的电流密度分别为152.6mAmg-1和121.3mAmg-1,起始电位分别为0.24V和0.26V,因此,NiCo2O4/NF电极具有较高的电流密度和较低的起始电位,表现出更优异的电化学性能。这一结果可能是由于NiCo2O4具有更大的比表面积,以及Ni与Co之间的协同作用造成的。 (3)利用溶剂热法结合煅烧法在泡沫镍基底上合成了微米尺寸的空心结构的Cu2O/Co3O4并作为甲醇氧化反应的电催化剂。该空心结构的外壳是由大量的纳米针所构成,这种独特的结构能使催化剂跟电解液充分接触,提供大量的催化活性位点。通过循环伏安法测试,在0.60V(vs.Ag/AgCl)处的电流密度达154.3mAmg-1,且经过1000圈循环伏安循环后,电流密度仅减少1.9%,具有很好的稳定性。