基于缺陷工程的高活性析氢/析氧催化剂

作     者：李泽霖 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：杨英

授予年度：2021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：空位 Ru单原子 Co9S8 析氢 析氧 

摘      要：随着能源需求的日益增加和化石燃料的日益枯竭,开发可再生能源成为了至关重要的问题。可再生能源,例如太阳能,潮汐能和风能等间歇性能源是解决能源需求的替代能源。但是由于它们是间歇性能源,因此电化学水分解将电能(从间歇性可再生能源中转化获得)转化为化学能是更有效的方式。但是水分解过程是一个缓慢的动力学过程,因此,需要通过高效的电催化剂来实现。目前,铂基和Ru/Ir基化合物是最有效的HER和OER电催化剂。然而,这些贵金属电催化剂具有高成本,低储量的缺点,这限制了其商业应用。因此,开发一种廉价、高效的电催化水分解催化剂非常重要。本论文基于缺陷工程思想,通过分别耦合高密度Ru单原子与CoS,设计并制备了两类新型复合电催化剂,并深入探究了催化剂结构与电催化性能之间的关系。本文的主要研究内容和结果如下:1.通过热解含Ti湿巾纤维-硫脲复合物,获得富含氧空位的石墨化氮化碳-碳-二氧化钛纳米球(g-CN-C-Ti O)的异质结构,并通过浸渍钌盐,制备出Ru单原子负载量高达12.4 wt%的Ru/g-CN-C-Ti O。氧空位和Ru单原子之间的协同效应,使Ru/g-CN-C-Ti O展现出高电解水析氢活性。其分别在0.5 M HSO和1 M KOH的电解质溶液中,10 m A cm下表现出112和107 m V的过电位,并且在1 M KOH中活性保持10 h而无明显衰减。该工作通过缺陷工程合成了高含量的Ru单原子催化剂,并且通过单原子和缺陷的协同效应得到了高效的电解水析氢催化剂,为实现高活性和高单原子含量的电催化剂的设计与制备提供了新思路。2.通过微波处理实现锌均苯三甲酸纤维(ZnBTC)纳米化并组装ZIF-67,所得复合物经固态转化(硫化、气相离子交换及碳化)获得富含硫空位的碳质CoS-Zn S的纳米管(CoS-Zn S NT)。气相离子交换出部分Zn物种,促进了非平衡扩散,产生一维空心结构;热解温度升高导致大量Co被还原产生丰富的硫空位。兼具空腔(三维缺陷)与硫空位(零维缺陷)的新型CoS不仅促进了含氧中间体的吸附,且有利于OH传递和电子转移。因此,CoS-Zn S NT展现出了杰出的电解水析氧性能,在1 M KOH的电解质溶液中,10 m A cm下表现出290 m V的过电位,并且活性保持40000s而无明显衰减。