钼基碳化物的制备及其电催化水解和氧还原反应性能研究

作     者：顾腾腾 

作者单位：福建师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王瑞虎

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 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：碳化钼 类沸石咪唑骨架 电催化 析氢反应 析氧反应 氧还原反应 锌-空电池 

摘      要：随着对传统化石燃料需求的日益增长,可再生能源存储和转换技术引起了人们的兴趣。设计成本低、活性高且稳定性高的催化剂是电催化水分解和锌-空电池应用的关键,本论文以类沸石咪唑骨架(Zeolitic Imidazolate Frameworks,ZIFs)为碳源、氮源和模板,将其与钼基氧化物复合后高温碳化,生成钼基碳化物复合材料,并系统研究所得材料的结构和电催化性能。该论文的主要研究内容如下:1.氮掺杂的碳化钼介晶材料负载在碳纸(N-MoC/CFP)上作为自支撑材料用于全p H值电催化析氢反应。通过电化学沉积过程将前驱体Mo O·HO均匀地负载在导电基底CFP上(Mo O·HO/CFP),经过脱水后得到Mo O/CFP。ZIFs材料作为碳源和氮源,在碳化还原后,得到最终的N-MoC/CFP复合材料。通过不同手段对所制备材料的电化学沉积时间、结构、微观形貌和元素价态进行了表征,并对其在全p H电解液中的析氢反应(HER)进行了系统研究。研究结果表明,电化学沉积时间为45min的N-MoC/CFP电催化剂表现出良好的HER电化学活性,在酸性,中性和碱性电解液中,分别仅需要45、80和37 m V的过电势就能达到10 m A cm的电流密度。且密度泛函理论计算也表明N-MoC/CFP具有优异的析氢性能。2.超薄的碳化钼(MoC)纳米片与钴和氮掺杂的碳多面体(Co@NC)复合用于析氢反应、析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)。通过在ZIF-67合成过程中引入三氧化钼(Mo O)纳米片,随后原位自组装得到Mo O纳米片包裹ZIF-67前驱体(Mo O/ZIF-67),高温热解后得到在Co@NC多面体表面上垂直排列的MoC纳米片组成的三功能电催化剂(MoC/Co@NC)。通过不同的测试手段对催化剂材料的结构、微观形貌、比表面积、元素价态和在碱性介质中的析HER、OER、ORR进行了研究。此外还研究了将其作为正极材料应用于液态金属锌-空电池。研究结果表明,与MoC和Co@NC相比,MoC/Co@NC复合材料可以大大提高催化性能,这是由于MoC与Co@NC之间的界面作用,从而提高了对HER,OER和ORR的催化活性。