过度消耗的化石燃料和不断增长的能源需求引起了人们对发展新能源的极大关注,人们致力于寻找环境友好型可持续清洁能源代替传统能源,如太阳能、风能等。但是这些绿色能源却受到地理环境、人文因素、设备等条件因素的制约,不利于人们对清洁能源的广泛开发和利用。因此研发新型高能量的能源具有十分重要意义。电催化剂是下一代可再生能源系统如水分解,金属空气电池和燃料电池的核心,应用领域非常广泛。本文的主要研究方向是电催化剂的可控制备及其在水分解中的性能。水分解反应包括阳极的析氧反应(OER)及阴极的析氢反应。具体过程为:水在阴极发生还原反应产生氢气,在阳极发生氧化反应产生氧气。用这种方法制备的氢气杂质很少且环保、高效。从动力学角度来看,OER较大的过电位及较低的氧气析出效率,导致阴极半反应中氢气低的析出效率,不利于氢经济的发展,因此,制备高效催化剂来加速OER进程非常重要。近年来,人们发现单组分材料逐渐不能满足多功能性的需求,所以通过复合不同功能的材料来满足能量需求的多功能性,纳米复合材料研究在近些年成为了研究热点。除了设计特定的形貌、尺寸和理化性质外,调控材料表面或内部缺陷,调整材料中不同元素的比例也是电催化研究中的重要方向。各种新型非贵金属纳米材料由于价格低廉、低毒、结构和形貌可控性强且耐碱性强等优点被认为是贵金属基电催化剂的替代品,其中过渡金属及其化合物(氧化物,磷化物,硫族化物,氢氧化物,双钙钛矿等广受关注)。过渡金属元素(如Mn、Fe、Co、Ni)一般拥有多种化合价,比如Co元素能以Co²⁺和Co³⁺的多价态形式存在,能够形成多种氧化物,而且即使是元素组成和价态都是一致的钴基氧化物,其晶体结构也有可能不相同。这种多变的价态、丰富的结构非常有利于电催化过程,能够提升电解水过程中的ORR和OER反应活性。本文制备了镍、钴基氧化物,并通过不同手段对其进行修饰、改性,以提高其催化性能。(1)采用O₂等离子体轰击材料表面在Co₃O₄纳米线上制造氧空位缺陷,来探究等离子体不同处理时长对材料的物质组成、电化学性质的影响,处理的时间分别是0s、120s、240s和360s。实验结果表明:1、Co₃O₄材料的形貌为纳米线状,在泡沫镍上均匀地生长。2、在0.1M的KOH碱性电解液中表现出优于未等离子体处理的OER性能,Co₃O₄/NF-360的过电位为304mV。表现出的优异性能是因为Co₃O₄中氧空位在电催化过程中可以充当H₂O的吸附位点,同时Co²⁺可以促进诱导更多的活性位点(CoOOH),这两者的结合可以有效地提高氧析出反应的效率。而且氧空位可以有效地调节半导体的带隙或改变电子在材料表面上的分布,进一步提高其电化学性能。(2)利用原子层沉积技术在Co₃O₄纳米线表面沉积一层NiO薄膜形成纳米异质结结构,通过两种金属氧化物之间的协同作用提升电解水的性能。实验结果表明:1、TEM结果确定了NiO均匀地生长在了Co₃O₄纳米线表面,厚度大约1.2nm。2、在0.1M的KOH碱性电解液中表现出优异的OER性能,NiO@Co₃O₄/CC的过电位为360mV,高于单一的金属氧化物Co₃O₄/CC的过电位。纳米异质结的拓扑结构以及纳米晶粒间的相互作用,可对其多种性质产生影响。纳米线的一维异质纳米结构具有大量位于表面界面的原子,而表面与界面的原子通常具有较低的配位数和配位环境,表面与界面的缺陷结构会发生相应变化,进而提升电催化性能。(3)采用微波水热法在碳布上生长NiCoOx双元金属氧化物纳米线,通过调控Ni(NO₃)₂·6H₂O和Co(NO₃)₂·6H₂O反应物的比例来调控产物NiCoOx双元金属氧化物中的镍钴比例。实验结果表面:1、Ni:Co=1:3的化合物具有最好的电催化性能,过电位为325mV。2、XRD测试证明Ni:Co=1:3的化合物的产物为NiCo₂O₄。在目前报道中,NiCo₂O₄双元金属氧化物的电导性是高于单一的Co₃O₄或NiO的,因为NiCo₂O₄的尖晶石结构是一种典型的混合价氧化物。