过渡金属磷化物的合成及作为析氢反应电催化剂

作     者：叶波 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈天云;韩国井

授予年度：2021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：氢能源 过渡金属磷化物 掺杂 析氢反应 

摘      要：随着全球人口的快速增长,城市化进程的加快,人们对可持续清洁能源—氢气的研究日益精湛,认为氢能源是一种理想的化石燃料替代品。因为氢能源具有几乎为零的排放特性和巨大的能量密度。在电催化水裂解过程中,选择高效稳定的析氢反应(HER)催化剂是制氢的关键一步。因此,我们展开了对过渡金属磷化物(TMPs)的深究,且TMPs在HER中催化性能优异、稳定性高。本论文通过简单的实验方法合成不同的TMPs,分别为:Ni-doped Co P/CoP NSs、N-doped Co P NWs、Fe-doped NiP AMSs。具体内容如下:(1)合成镍掺杂的Co P/CoP的纳米球(Ni-doped Co P/CoP NSs)是利用共沉淀法和化学气相沉积法。首先,在室温水浴超声条件下,通过共沉淀法成核制备Ni Co金属有机框架(MOF)纳米球。然后,在高温、空气条件下,经过原位碳化使无序晶体材料Ni Co-MOF NSs生成有序晶体Ni O/CoONSs。此过程是生成晶型过渡双金属氧化物纳米球,且经高温碳化后增大了金属氧化物纳米球的比表面积。最后,是以Na HPO为磷源,在高温密闭Ar气流条件下,经过化学气相沉积(CVD)合成目标催化剂Ni-doped Co P/CoP NSs。通过X射线衍射仪(XRD)测试表明:XRD图像的衍射峰均为Co P/CoP的晶面衍射。从透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)可以测出,Ni-doped Co P/CoP NSs经过碳化、磷化程序后也较好地保持了纳米球的微观形貌。经过电化学测试,镍与钴的原位掺杂比例为1:1时,Ni-doped Co P/CoP NSs催化性能最优、稳定性最好。(2)以司班40(CHO)、六水硝酸钴(Co(NO)·6HO)、二水合草酸(HCO·2HO)、乙二醇、碳酸氢铵(NHHCO)为原料,通过常温共沉淀反应合成Co CO·2HO纳米线(NWs),高温热解法得到CoO纳米线;最后利用化学气相沉积(CVD)制备出具有优异析氢反应(HER)催化性能的介孔状氮掺杂Co P纳米线催化剂(N-doped Co P NWs)。通过X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂的物相形貌和元素价态等进行详细表征。结果表明,N-doped Co P NWs催化剂的线状形貌和析氢性能优良,且析氢测试后保持了纳米线的稳定结构。(3)以九水合硝酸铁(Fe(NO)·9HO),六水合硝酸镍(Ni(NO)·6HO),丙三醇,异丙醇为原料,通过高温水热方法合成铁掺杂镍的醇盐微球(Fe-doped Ni AMSs);并调整Fe:Ni的掺杂比例(x:1),得到不同表面结构的微球。再以Na HPO为磷源,用化学气相沉积(CVD)的磷化方法,制备出Fe-doped NiP AMSs催化剂。通过XRD、TEM、SEM和XPS对醇盐微球的微观形貌、物相组成和价态进行了详细表征,得出最终磷化产物Fe-doped NiP AMSs。在0.5 M HSO溶液中对不同Fe掺杂比例的Fe-doped NiP AMSs进行HER性能测试,结果表明Fe-doped NiP AMSs的催化性能最优、稳定性良好