镍基硒化物电解水催化性质及其γ射线辐照效应研究

作     者：钱婷 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：祖小涛

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：镍基硒化物 分形结构 γ射线辐照 电解水 双功能材料 

摘      要：目前,化石燃料仍然是提供能量的主要能源。随着人类对能源的需求越来越大,化石燃料的有限性以及燃烧后产生有害物质使得寻找可持续的、清洁的替代能源越来越重要。由于能量密度高,易携带,不受自然环境的制约且无污染,氢能被认为是未来替代能源的有力竞争者。其中,电解水制氢,是当前关注的热点之一。因此,研制一种低成本、可重复使用、污染小的高性能电催化剂成为了众多学者的研究热点。但是,对析氢反应和析氧反应都具有良好促进作用的双功能电催化剂的报道相对有限。本论文利用溶剂热法,通过控制反应时间合成了双功能镍基硒化物(NiSe)纳米材料电解水催化剂,系统研究了NiSe的物相,形貌等和催化水分解性能之间的关系。其中,随着反应时间的增加,NiSe的形貌由蒲公英分形结构慢慢变成藻蕨类分形结构,且形成的特殊分形结构在电催化中起到重要的作用。电化学测试表明,NiSe纳米材料在电催化应用有很好的性能。其中,NiSe@60 min的析氢反应性能最好,NiSe@120 min析氧反应性能最好。在HER测试中,NiSe@60 min纳米材料,电流密度为10 mA/cm时,对应的过电势为225 mV,Tafel斜率为127 mV/dec,溶液电阻,电荷转移电阻和吸附电阻(R,R和R)分别为0.68Ω,1.80Ω和8.99Ω;在OER测试中,NiSe@120 min纳米材料,当电流密度为10 mA/cm时,对应的过电势为245 mV,Tafel斜率为84 mV/dec,R,R和R分别为0.81,2.46和1.88Ω。NiSe@120 min的活性表面积最大,故对其做进一步的掺杂研究。利用过渡金属掺杂合成了三元镍基硒化物MNiSe(M=Co,Fe,Mn和V),研究了MNiSe的物相,形貌等特征和电催化性能。电催化测试结果表明,三元镍基硒化物MNiSe(M=Co,Fe,Mn和V)对电解水中的析氢反应和析氧反应都展示了很好的性能。其中,CoNiSe,FeNiSe,MnNiSe和VNiSe析氢反应的过电势分别降低为80 mV,123 mV,155 mV和228 mV;析氧反应的过电势分别降低为205mV,210 mV,221mV和224 mV,且析氧过程的Tafel斜率分别降低为56 mV/dec,51 mV/dec,49 mV/dec和50 mV/dec。相比于掺杂前的NiSe@120 min,作为双功能催化剂,MNiSe的电催化性能进一步得到了提高。这表明过渡金属掺杂镍基硒化物具有优异双功能电催化剂的潜能,有望在电催化应用上获得广泛的应用。本文还分别探究了γ射线辐照对NiSe和MNiSe的结构和形貌的影响。发现合理控制γ射线辐照剂量,可以调控NiSe和MNiSe的物相和形貌。初步探明了物相和形貌发生改变的起始剂量为1 kGy,明确了合理调控物相和形貌的辐射剂量范围为1-100 kGy。这为利用γ射线调控制备高性能电催化剂提供了基础。