硫化镍基纳米异质结构的合成及电催化机理研究

作     者：程佳宁 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘辉

授予年度：2022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：硫化镍 异质结构 析氢反应 析氧反应 全水解反应 

摘      要：为加快生态文明建设,优化能源结构,国家在2020年提出碳达峰和碳中和的策略,因此开发清洁的绿色能源来替代传统的化石能源就显得尤为重要。氢能因其高能量密度,零碳排放,便于储存和运输等诸多优点被认为是最有前景的清洁能源之一。而目前电解水制氢被认为是最理想的制氢方式,但仍然需要寻找廉价且性能优异的电催化剂来减少反应的过电位,加快析氢反应(HER)和析氧反应(OER)动力学。硫化镍(NiS)由于其独特的电子结构,优异的导电性和HER/OER双功能活性,近些年来受到广泛关注。然而,这类催化剂存在本征催化活性低和催化位点数量少等问题,阻碍了其进一步的应用。本文通过构建异质结构的策略,改善金属活性位的电子结构,增加活性位点数量,加快HER和OER反应动力学,并结合密度泛函理论计算(DFT),深入探究了金属活性位电子结构与电催化性能之间的构效关系。(1)利用水热法和化学还原法在泡沫镍基底上成功制备了金复合硫化镍纳米片异质结构催化剂(Au/NiS/NF),调控了Au的负载量,测试了不同Au负载量下催化剂的电催化性能。研究结果表明,Au/NiS/NF在碱性条件下展现出良好的双功能电催化性能,电流密度为10 m A·cm时,HER和OER的过电位(η)分别为97和230m V。将Au/NiS/NF作为电解槽的阴极和阳极进行水分解,其性能为1.52 V@10m A·cm,并能保持60 h的稳定性。Au/NiS/NF电催化性能的提升归因于丰富的活性位点,显著提升的本征活性及加速的界面电荷转移。X射线吸收精细结构谱(XAFS)和X射线光电子能谱(XPS)结合理论计算表明异质结能够有效调控Ni位点的电子结构,优化HER和OER反应中间体的吸附自由能。(2)通过光还原的方法在NiS/NF上负载银纳米颗粒形成Ag/NiS/NF异质结催化剂,以Ag的负载量作为变量,对催化剂进行HER、OER和全水解性能测试。优化后的Ag/NiS/NF展现出良好的催化活性,电流密度为10 m A·cm时,其HER和OER的过电位分别为89 m V和220 m V;将Ag/NiS/NF作为电解池的阴极和阳极,其性能为1.51V@10 m A·cm,并能维持15 h的稳定性。Ag/NiS/NF异质结的存在提供大量的活性位点,加速电荷转移并优化本征活性。XPS及DFT理论计算表明异质结的存在提升了材料的导电率、有效调控了NiS的电子结构。