过渡金属磷化物的制备及其电催化性能的研究

作     者：钱秀 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈立庄

授予年度：2020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：生物质炭 电沉积 过渡金属磷化物 电催化 

摘      要：世界的能源竞争越来越激烈,人们为得到高质量的的生活,需要的能源也越来越多。氢能,作为清洁能源,对环境污染小,资源丰富,可再生的优点,得到了大家的重要关注。目前世界上应用于电解水方面的工业制氢的方法主要是以铁为阴极面,镍为阳极面的串联电解槽(外形似压滤机)来电解苛性钾或苛性钠的水溶液,该方法成本较高,但产品纯度大,可直接生产99.7%以上纯度的氢气。其中电解水的两个半反应包括析氢(HER)和析氧(OER),但是现在对析氢和析氧性能最好的催化剂是商用的铂碳和氧化钌或氧化铷。但是资源的匮乏,价格的昂贵使得它们不能得到普遍的应用。近年来过渡金属磷化物(来源广泛,价格低廉,性能优异)在众多催化剂中脱颖而出,但是导电性差,活性位点的缺失,在酸碱溶液中不稳定。所以设计在酸碱溶液中拥有高活性、良好导电性和稳定性的电解水催化剂是一个大的挑战。围绕以上活性与稳定性,本文的主要研究内容如下:本文的第二章设计采用的基底材料为新鲜玉兰叶片制成的碳膜。该碳膜独特的脉络结构,加上天然的孔洞,增大了反应的接触面积,有利于电沉积实验的进行。电化学沉积的方法,简单易操作,选用固定的电压在碳膜表面进行电沉积,使得Fe-Co-P沿着碳膜的叶脉及孔洞均匀生长,包裹在碳膜表面。并测试了其电解水析氧的性能,仅需151 m V(标准氢电极)的过电势即可达到10 m A cm,塔菲尔斜率仅为77.78 m V dec。并且在10小时的循环后,稳定性良好。本文第三章依旧采用的玉兰树叶制成的碳膜为基底材料。同样采用恒电位的电化学沉积的方法,在碳膜上沉积具有特定形貌的磷化钴。通过改变不同的磷的含量。并且测试他们的电化学性能,继而发现Co P-0.6/C的电解水性能最好,且其在同一p H值下,可作为稀有的双功能催化剂。在1 M KOH电解液中,10 m A cm时的HER过电位为140 m V,OER过电位为250 m V,水分解的电位在50 m A cm时为1.72 V。塔菲尔斜率分别为109.30 m V dec和137.59 m V dec,且24小时的循环后,也表现出良好的催化性能。本文第四章的基底材料一改上述,采用的是桂树树叶。通过水热合成的方法将羟基铁与碳膜复合,然后进行硫化和磷化,得到Fe-S-P/C。与碳膜复合的Fe-S-P有着独特的纳米棒装结构,在0.5 M的HSO电解液中表现出优异地析氢,析氧和水分解的性能。在10 m A cm时的HER过电位为148 m V,塔菲尔斜率为99.96 m V/dec,OER的过电位为53 m V,塔菲尔斜率为103.24 m V/dec。在50 m A cm时水分解的电位为1.92V。长时间的循环后,具有较好的稳定性。