磷化镍基复合纳米材料的制备及其电催化分解水性能研究

作     者：靳鑫 

作者单位：重庆师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔玉亭;刘宝丹

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：水热法 低温磷化 磷化镍纳米片 异质结构 电催化分解水 

摘      要：全球能源危机及其相关环境问题引起了对清洁,廉价和可再生能源的迫切需求。氢能源是被誉为21世纪的清洁能源并由于其高能量密度和零炭排放被视为一种可以替代传统化石燃料的理想能源,所以氢能源受到了越来越多人的关注。在目前众多的制取氢气的技术中电催化分解水可以实现大规模的生产并且原料来自丰富的水源,这种方法被视为实现制氢的最为便捷的途径之一。目前,Pt基和IrO,RuO基贵金属材料已分别被证实是最有效的析氢催化反应(HER)和析氧反应(OER)的电催化剂电极材料。但是,它们在地球上含量不足和高成本大大限制了它们的广泛应用。因此,开发具有廉价的成本,高效率和优异稳定性的替代贵金属的电催化剂用于电催化分解水的任务非常紧迫。理想的电极材料应该具备良好的导电性、高的电催化活性、大的比表面积、优良的抗腐蚀能力。过渡金属磷化物其磷原子进入金属晶格之中而形成的间隙化合物而拥有了理想电催化剂的的许多优良的性质,符合制备高效电解水电极的要求。本论文主要通过水热和低温磷化的方法在具有三维孔架的泡沫镍上生长出单金属以及多金属异质结构的过渡金属磷化物纳米材料催化剂并且对其电催化分解水性能进行了研究:(1)以三维孔架的泡沫镍为基底,通过水热法原位生长出高密度的氢氧化镍前驱体纳米薄片,随后通过低温磷化的方法,在泡沫镍上制备了多孔的NiP纳米薄片。这种简单低成本的制备方法使得多孔NiP电极材料具有较大的比表面积以及优越的膜基结合能力。通过电化学行为测试研究发现,在碱性条件下的阴极电流密度为10 mA cm时仅仅需要139 mV的过电势,其析氢过电位优于大部分其他同种材料,并且在模拟工业产氢的高电流密度下也展示出了极好的稳定性。(2)在上述工作基础上利用同种方法,在泡沫镍上生长出多孔的NiP纳米片,随后通过调控电沉积工艺的参数,在NiP纳米片上沉积一层NiFe LDH纳米薄片形成NiFe LDH和NiP的复合结构,使得纳米材料的比表面积和活性位点进一步增加。电化学测试后发现,这种复合结构的析氧电位得到了明显的提升。(3)为了探究多元过渡金属磷化物对电催化性能的影响,以三维孔架的泡沫镍为基底,通过水热法和低温磷化法成功的制备了CuP与NiP的双金属异质结构磷化物六边形纳米片。通过电化学测试发现,双金属磷化物特殊的纳米形貌和电子结构对电催化性能有着明显的提升作用,其析氢性能为10 mA cm的电流密度下仅仅108 mV的过电势,远远低于单元的NiP(150 mV)与CuP(200 mV),说明磷化铜与磷化镍之间发挥了电耦合作用和协同增强效应,从而加强了电催化性能。