冷冻干燥法制备多级异质结构MoSe2基复合材料及其全电解水性能研究

作     者：曾俊伟 

作者单位：湖南理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：万忠民;胡祥龙

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：二硒化钼 蜂窝状氮掺杂碳 异质结构 析氢反应 析氧反应 

摘      要：电解水制氢具有零污染、原料来源广泛等优势,是最具潜力的制氢方式之一。然而,该方法的催化剂主要为铂(Pt)、铱(Ir)、钌(Ru)等贵金属,成本高,严重制约了其商业化应用。因此,研究低成本非贵金属催化剂具有重要意义和研究价值。近年来,钼基催化剂具有催化活性高、结构稳定性好、环境友好等优点,受到研究者们的广泛关注。然而该类材料存在本征导电性较差、电化学可逆性弱等问题,催化性能不太理想。针对上述问题,本文采用冷冻干燥法结合原位硒化策略,合成了具有蜂窝状氮掺杂碳结构的MoSe/NC复合材料和多级异质结构MoSe/CoSe/NC复合材料,极大改善了MoSe基材料的催化性能,并研究了催化性能提升的机理。具体研究内容如下:(1)MoSe/NC的可控制备及其全电解水性能研究以高分子聚合物(PVP)作为碳源,采用冷冻干燥结合原位硒化法合成了蜂窝状氮掺杂碳封装的MoSe基复合材料(MoSe/NC)。研究结果表明,独特的蜂窝状氮掺杂碳网络结构提升了MoSe/NC的导电性和结构稳定性,促进了催化反应,改善了复合材料的全电解水性能。在1 M氢氧化钾溶液中,显示出153 m V(10 m A cm)的析氢过电位和180m V(10 m A cm)的析氧过电位。用于全电解水实验时,双功能MoSe/NC仅需1.5 V即可产生10 m A cm的电流密度,并且体现出优异的电化学稳定性。(2)多级异质结构CoSe/MoSe/NC的可控制备及其全电解水性能研究以乙酸钴和钼氨酸分别作为钴源和钼源,借助冷冻干燥法和高温硒化原位制备了MoSe/CoSe/NC复合材料。研究结果表明,该策略可稳定合成MoSe和CoSe多相异质结构,且同时构筑三维多孔碳网络结构。MoSe/CoSe/NC用作HER和OER催化剂时体现出良好的催化性能。在10 m A cm的电流密度下,复合材料的HER和OER过电位分别为109m V和250 m V。组装为全电解水槽后,MoSe/CoSe/NC达到10 m A cm电流密度时的电压仅为1.63 V。阻抗和循环后SEM图像测试结果证明复合材料具有良好的电子导电性和结构稳定性,进而提高了其电催化活性。这可能是因为三维多孔碳结构提供了丰富的活性位点,且促进了催化过程中材料内部的离子扩散和气泡释放。