过渡金属氮化物纳米阵列的构建与电催化应用

作     者：孙君伟 

作者单位：青岛大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张立学

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：过渡金属氮化物 纳米阵列 电催化剂 氢气析出反应 甲醇氧化反应 

摘      要：近年来,电催化技术在能量储存与转换领域受到人们的广泛关注。而在很多电催化反应中,贵金属铂(Pt)的催化活性极佳,但是Pt的低储量、高价格阻碍了其在电催化反应中的商业化应用。因此,设计开发低成本、高性能的非贵金属电催化剂或者低Pt含量的电催化剂具有十分重要的意义。过渡金属氮化物是氮元素键入到过渡金属中的一类金属间隙化合物,通常具有高导电性、高耐腐蚀性、高熔点等优势,且具有独特的d带电子结构,这些结构特点使得过渡金属氮化物可以作为潜在的高性能电催化剂或者电催化剂载体来使用。本论文从设计纳米阵列结构的过渡金属氮化物材料出发,通过调控过渡金属氮化物的电子结构以提高其本征电催化活性,通过调控过渡金属氮化物与Pt的强相互作用以开发高性能的低Pt催化剂,具体开展了如下研究:1.通过对双金属氧化物(CoMoO4)纳米阵列进行简单的一步氮化处理,我们发展了一种构建金属钴(Co)与氮化钼(MoN)异质界面纳米片阵列(Co/MoN)用于高效氢气析出反应(HER)的新策略。金属Co的存在可以调控MoN的电子结构,增加MoN的本征催化活性。在碱性条件下,Co/MoN异质界面纳米阵列电催化剂展现了优异的HER催化活性,仅需要47、103、132 mV的过电势即可分别达到10、50、100 mA/cm2的电流密度,与此同时,Co/MoN还具有非常良好的稳定性,在长达70 h的测试中,催化性能几乎保持不变。通过实验和理论计算验证了,异质界面上金属Co修饰的MoN材料增强了碱性条件下水裂解的能力。这种简单的原位构建异质界面的策略对于提高过渡金属氮化物电催化剂的催化性能具有良好的借鉴意义。2.我们采用简单方法在碳布上构建了三维氮化钛(Ti N)纳米线阵列上,然后采用原子层沉积技术在其上沉积了超痕量的Pt纳米颗粒(10C-Pt/TiN/CC)。所构建的三维TiN纳米线阵列具有高耐腐蚀性和高导电性的特性,还得益于TiN载体优异的三维结构特征以及载体与Pt纳米颗粒之间的强相互作用等,使得10CPt/TiN/CC催化剂在甲醇氧化反应中展示出优于商业化Pt/C的催化活性和稳定性。这项工作将过渡金属氮化物纳米线阵列作为催化剂载体,降低了Pt负载量的同时,有效提高了Pt的催化活性和稳定性,为制备三维高性能电催化剂提供了一种有效的策略。