双层MoSe2/C中空球的可控制备及其电催化产氢性能研究

作     者：王义忠 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于乐

授予年度：2021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] 

主      题：电解水 中空结构 硒化钼 碳化钼 表面修饰 

摘      要：随着化石能源的快速消耗及其使用过程中带来的严重环境污染等问题,开发一种可再生且清洁的替代性能源变得越来越急迫。氢气因其具有可再生、热值高、环境友好等优点,一直被视为最理想的储能载体之一。而电解水制氢作为一个零排放的高纯度氢气生产技术,可以从根本上摆脱氢气生产对化石燃料的依赖,同时可以避免环境污染问题。然而,受限于催化性能高效、低成本的非贵金属催化剂的缺乏,大规模电解水产氢技术的发展和应用受到很大阻碍。因此,寻找一种高效、廉价的电催化剂,以加速阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)中存在的迟缓动力学,避免造成不必要的能量消耗是至关重要的。本论文以中空纳米结构为基础,以MoSe2和Mo2C为主要活性成分,通过简单的水热、高温硒化或者碳化等过程成功合成了一系列高效HER电催化剂,并进行了详细的材料表征和电化学性能测试。具体研究内容及结果如下所示:(1)第一部分,我们通过简单的自模板法以及高温硒化等过程成功合成了 MoSe2/C中空纳米结构,并对其形貌结构、组分、价态、物相等进行了详细的表征。首先,通过硒化温度调控,我们优化了 MoSe2的结晶度以及碳组分的石墨化程度。电化学测试表明,催化剂的HER催化性能随硒化温度的提高而提升。在煅烧温度为900℃时,所制备的MoSe2/C-900℃具有最优异的电催化性能:在10 mA cm-2的电流密度下,MoSe2/C-900℃具有180 mV的较低过电位及85 mV dec-1的Tafel斜率,双层电容为25.1 mF cm-2(远高于MoSe2/C-700℃的双层电容(13.4 mF cm-2));其次,具有中空结构的MoSe2/C电催化性能远优于Mo-G直接硒化得到的块状MoSe2/C,这说明中空纳米结构对提高电催化HER性能具有重要作用。(2)第二部分,我们通过一种高效的多步策略制备了钴修饰的Mo2C多级中空球(CMCHSs)作为析氢催化剂,并对其进行了详细的形貌结构等表征以及电化学测试。首先,通过碳化温度调节Mo2C结晶度以及碳组分石墨化程度,从而实现对材料催化性能的有效调控。在电流密度为10 mA cm-2 时,Mo2C/C-800℃的过电位为 157 mV,明显优于 Mo2C/C-600℃和Mo2C/C-900℃的过电位;其次,通过钴物种表面调控策略,进一步提高了 HER催化性能。其中,CMCHSs具有最优异的HER性能:在电流密度达到10 mA cm-2时,CMCHSs具有139 mV的低过电势,较小的塔菲尔斜率(86 mV dec-1),同时,双层电容为18.11 mF cm-2,远高于MCHSs的双层电容(5.1 mF cm-2),这表明在经过表面调控之后,CMCHSs的析氢的催化活性位点的显著增多。