碳纤维表面钴基硫族纳米阵列的构建及电析氢性能研究

作     者：敖克龙 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏取福

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：碳纤维布 钴基硫属化物 纳米材料 析氢反应 

摘      要：过度依赖化石燃料是酿成雾霾的罪魁祸首。在现今的能源结构中,煤、石油及天然气等化石燃料占逾80%的份额。氢气的燃烧热值很高,是一种极其重要的清洁能源(燃烧只生成HO)。为实现氢能源广泛的实际应用,需要解决诸多问题,比如如何低耗高效地制造氢燃料。目前,工业上最主要的产氢工艺是蒸汽甲烷转化法(SMR)和煤气化法,但这两种工艺过程均会排放出CO这一温室气体。电解水的产物纯度高,环境友好且工艺重复性好。然而,电解水往往需要资源有限的贵金属Pt作为析氢反应(HER)的催化电极来降低能耗,贵金属Pt的使用使得电解水制氢得不偿失。因此,需要找到几种地壳含量丰富金属及非金属,来不断提升它们化合物的HER性能,最终达到能完全媲美并取缔Pt的目的。过渡金属硫属化物(TMCs)便是其中一类高效的HER催化材料。在过去的几十年里,研究者们付出了相当大的心血来研究如MoS和WS等TMCs,而且硕果累累。但事实上,地壳中Co元素的含量约是Mo和W元素的27倍,因此需要转移更多的注意力在研究钴基硫属化物上。本论文研究了碳纤维表面钴基硫族化物纳米阵列的构建及在电析氢上的应用。取得的主要研究成果如下:1、杂原子掺杂是调整HER催化剂催化性能的一种可行方法。通过一步溶剂热法合成了碳布上自支撑的Fe掺杂的CoS纳米片(Fe-CoS NSs/CC),该材料能直接作为阴极来析氢。水接触角测试表明,该电极亲水,这得益于碳纤维表面Fe-CoS的多级纳米结构。电化学测试表明,Fe元素的引入提升了单一CoS的催化能力。在1 mol L的KOH溶液中,Fe-CoS NSs/CC的电流密度达到10 mA cm时仅需83 mV的过电位,Tafel斜率约为95.3 mV dec。同时,它也表现出好的循环稳定性和优良的耐久性(20 h的稳态测试过程中电流密度几乎不变)。2、金属有机框架(MOFs)能够作为模板来设计和构建许多复杂的纳米结构。探索了在碳布上以Co-MOF为前躯体来合成CoS纳米棒,随后再通过一步电沉积法在该纳米棒表面修饰NiCo-LDH纳米片,以此形成纳米异质结构(CoS@NiCo-LDH/CC)。1 mol L KOH中,CoS@NiCo-LDH/CC在析氢反应时需要124 mV过电势达到10 mA cm的电流密度,Tafel斜率为89 mV dec。值得注意的是,20 h的计时电位测试过后,它的过电位反而降低了18 mV。3、通过一步常温金属离子配位、一步离子交换反应和一步水热硒化反应得到了碳布上自支撑的蛋黄壳结构Ni-Co-Se(Y-S Ni-Co-Se/CC)。Y-S Ni-Co-Se纳米笼由CoSe和NiSe两种组份组成,其中Co与Ni原子比约为2.42。得益于材料自身的结构和组份优势,它展现出显著的HER电催化活性以及长时间稳定性(18 h的稳态测试过后电流密度保持率仍在80%以上)。Y-S Ni-Co-Se/CC的电流密度达到10 mA cm时的过电位为250 mV,这比参照组Y-S CoSe/CC的小了162 mV。