基于1T-MoS2的复合催化剂合成及电催化产氢性能研究

作     者：梁宸彬 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑加金;张颖

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：电解水 产氢反应 二硫化钼 铂镍合金催化剂 无定型氢氧钴镍 

摘      要：近几十年以来,随着人类生活、科技的发展,不可再生的化石燃料被大规模的使用消耗,由此产生的能源危机和环境问题已经开始影响人类的生存。针对于此,绿色清洁的新能源备受关注。其中氢气具有清洁、高效、稳定、储量丰富且可持续利用等优点被认为是目前最具发展潜力的可替代化石燃料的新能源之一。在制氢的诸多方式中,电解水产氢过程不需要化石燃料,被认为是有效的、可大规模工业化产氢的一种方式。高效的电解水产氢催化剂是实现其大规模工业化生产的重要保证。目前最有效的催化剂是铂基贵金属催化剂,然而这些贵金属的储量较少且价格昂贵,这极大地限制了其在电解水产氢装置中的大规模应用。因此,开发高效、廉价且稳定的产氢电催化剂对实现电催化产氢的产业化至关重要。近年来有研究证明MoS的催化活性位点丰富且成本低廉,是最具潜力的的电催化产氢材料之一。基于此,本文通过水热法在碳纸(CP)上生长了金属相的1T-MoS,并以此为基底,采用电沉积法在其表面上分别合成了Pt Ni合金超小纳米颗粒和Co Ni(OH)纳米片,并研究了它们的催化产氢性能。具体的研究内容如下:1、通过水热法在CP表面生长金属相的1T-MoS(CP/1T-MoS),然后将其作为工作电极,在三电极体系中通过恒电压电沉积和线性扫描伏安法在其表面电沉积Pt Ni纳米颗粒,构建了CP/1T-MoS-Pt Ni复合催化剂。对制备的CP/1T-MoS-Pt Ni复合催化剂进行电化学产氢反应(Hydrogen Evolution Reaction,HER)性能测试,结果显示在0.5 M HSO溶液中达到10 m A cm电流密度时所需的过电位仅为65 m V,Tafel斜率为29 m V dec,且经过稳定性测试后仍能保持较高的活性。CP/1T-MoS-Pt Ni复合催化剂优异的HER性能归因于金属相的1T-MoS具备的丰富边缘活性位点以及Pt Ni合金的协同效应。该项研究为设计和开发酸性环境中高效的贵金属合金产氢电催化剂、降低贵金属催化剂的使用成本提供了可能。2、以水热法制备的CP/1T-MoS作为载体,在三电极体系中通过恒电压电沉积法在其表面沉积无定型Co Ni(OH)纳米片构建CP/1T-MoS-Co Ni(OH)复合催化剂。由于1T-MoS和无定型Co Ni(OH)之间的协同效应,使其展现出优异的碱性HER性能。在0.1 M KOH溶液中达到10 m A cm电流密度时过电位仅为178 m V,Tafel斜率为60.9 m V dec,在过电位超过0.190 V时的HER性能甚至优于商业Pt/C催化剂,且展现了优异的稳定性。该研究为克服碱性环境中MoS缓慢的HER动力学、设计和开发低成本但性能优异的非贵金属产氢电催化剂开辟了新的途径。综上所述,以水热制备的CP/1T-MoS为载体,通过电沉积法合成了CP/1T-MoS-Pt Ni和CP/1T-MoS-Co Ni(OH)复合催化剂。二者分别在酸性和碱性溶液中展现出了优异的HER性能和稳定性。该研究降低了催化剂的使用成本,对于实现电催化产氢的产业化具有积极的推动作用。