有機金屬骨架衍生之過渡金屬磷化物應用於電催化產氧反應

Abstract

本論文旨在討論利用有機金屬骨架(例如金屬沸石咪唑骨架及普魯士藍類似物)所衍生之過渡金屬磷化物，應用於電催化領域中水分解的產氧反應。依照所選用的材料可分為兩部分，第三章使用以鋅及鈷作為中心金屬的核殼層金屬沸石咪唑骨架，利用高溫碳化及磷化的方式轉換為具有氮摻雜碳骨架的磷化鈷，應用於電催化產氧反應；第四章則使用以鎳鐵雙金屬作為中心金屬的普魯士藍類似物，使其以原位生長法在二維碳化釩上生長，並利用高溫碳化及磷化的方式轉換為氮摻雜磷化鎳鐵的複合碳材，應用於電催化產氧反應。 在第三章中，本研究闡釋金屬沸石咪唑骨架可作為前驅物以衍生出過渡金屬磷化物。此核殼層金屬沸石咪唑骨架以鋅作為核層中心金屬，鈷作為殼層中心金屬，藉由碳化及磷化的方式可以將內部的鋅熔出，形成一奈米通道使鈷離子擴散進入晶體內部，同時生成生長於氮摻雜之碳骨架上的磷化鈷。本研究中，我們進一步說明核殼層結構所帶來的比表面積提升對於產氧反應活性的重要性。得益於特殊的結構及化學組成，本研究合成出的磷化鈷擁有優異的產氧反應活性，在10 mA·cm-2下僅需274 mV的過電位，並且在鹼性溶液中保有100小時以上良好的操作穩定性。根據實驗結果顯示，我們可藉由設計核殼層結構，並調整核殼層金屬沸石咪唑骨架衍生之前驅物量來優化電催化活性，且此金屬磷化物可作為產氧反應之電催化觸媒。 在第四章中，我們將雙金屬普魯士藍類似物生長在二維碳化釩上，再以此作為前驅物，經由碳化及磷化的方式衍生出雙金屬磷化物複合碳材。由於二維碳化釩表面帶有大量含氧及氟的官能基，能夠藉由庫倫靜電力吸引金屬離子，非常有利於普魯士藍類似物在其表面產生成核反應。我們首度成功合成出鎳鐵普魯士藍類似物生長於二維碳化釩，並藉由碳化及磷化的方式轉換為鎳鐵磷化物生長於二維碳化釩，此舉不僅增加了導電性，也能增加產氧反應的電催化活性。本研究合成出的鎳鐵磷化物擁有優異的產氧反應活性，在10 mA·cm-2下僅需239 mV的過電位，並且在鹼性溶液中保有100小時以上良好的操作穩定性。此實驗結果展示了一個有效的策略去製備以普魯士藍類似物複合二維過渡金屬碳化物衍生之雙金屬磷化物應用於電催化產氧反應觸媒。 根據第三章與第四章的核心概念，藉由碳化及磷化可以將不同的有機金屬骨架衍生成過渡金屬磷化物，進而增加其導電度及電催化活性。由於有機金屬骨架的多樣性，使其能夠作為一平台來設計以有機金屬骨架為基礎之材料，藉此開發出在能源應用領域中高效率的電催化觸媒。