自支撑镍基电催化电极材料的制备及析氢性能研究

作     者：刘松 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王南南

授予年度：2022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：镍基催化剂 析氢 异质结构 元素掺杂 

摘      要：鉴于对全球能源以及环境污染的考虑,找寻可以替代化石燃料的可再生清洁能源就显得非常重要。氢气由于具有高能量密度、零CO排放和无污染等优点,被认为是一种多功能的能源载体。迄今为止,氢气的工业生产主要是由化石燃料生产,且会排放大量二氧化碳,这并不满足当下国家大力提倡的“碳中和口号。而电化学水分解由于其过程清洁无污染,是绿色制氢的最佳选择。Pt基和Ru/Ir基催化剂是表现出最先进和最高效的HER和OER电催化剂。但由于受到其成本高和稀缺的限制,无法大规模应用于工业领域。因此使用地球上丰富的过渡金属元素来开发高效稳定且成本低廉的电催化剂至关重要。镍基复合材料由于其丰富的可用性和电化学效率而备受关注。本论文主要以镍基催化剂为研究对象,通过形貌调控、相结构调控、元素掺杂等手段改善镍基催化剂的点催化性能,分析并解释电催化性能的提升机制。其主要研究内容以及结论如下:(1)通过水热法获得了具有中空棒状阵列的结构的NiSe/Mo Se/NF。NiSe/Mo Se/NF-5只需77、165、194 m V的过电位就可以驱动10、100、200 m A cm的电流密度,表明催化剂具有优异的催化性能。如此优异的性能得益于NiSe/Mo Se/NF-5的分层结构使得催化剂与电解质拥有更大的接触面积和容易传质的多孔框架;特殊的中空结构可以作为电子传输途径,促进电子转移,显著增加催化剂的比表面积,暴露更多的反应位点,以及因其较大的空隙有效减小离子的扩散长度和水劈裂的运输阻力;而所拥有的1T-Mo Se2增加了材料的导电性,提升了催化剂的催化性能。(2)通过水热法获得了具有Fe掺杂的Ni Se/Co MoSe中空棒状阵列的结构。Fe-Ni Se/Co MoSe/NF只需57、110、149 m V的过电位就可以驱动10、50、100 m A cm的电流密度,Tafel斜率为33 m V dec。其出色的催化性能来源于1T-Mo Se在费米能级具有部分填充轨道,可以容纳吸附氢的电子,对氢气的形成有很高的本征活性;Ni Se可以促进水的裂解,Fe-Ni Se/Co MoSe/NF阵列为三相界面的反应提供了丰富的活性位点,此外Fe作为杂原子的掺杂实现Ni Se/Co MoSe的形态和电子结构的双重调整,从而使得催化剂具有优异的催化性能。(3)通过无模板法成功合成了具有枝晶状的Ni CoO/NF前驱体,之后通过化学气相沉积对前驱体进行磷化处理,最终获得了枝晶状的Co P/NiP/NF。Co P/NiP/NF-4拥有最优异的催化性能,只需要131、200、255 m V的过电位就可以驱动10、50、100 m A cm的电流密度,Tafel斜率为108 m V dec。其优秀的性能来自于枝晶状结构可以保证足够的活性位点、有效的质/电荷传输以及良好的机械强度,表面所形成的纳米颗粒能可以为高效电催化性能提供相当多的活性位点,原位生长的特点则提供出色的导电性和快速的电荷转移。Ni、Co、P的结合能的不同变化可以优化催化剂的电子结构,从而大大提升HER活性。