钴基双金属磷化物纳米材料的制备与电催化析氢性能研究

作     者：于小锐 

作者单位：沈阳理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘宝丹

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：磷化钴 析氢反应 双金属磷化物 元素掺杂 离子交换 

摘      要：随着经济的迅猛发展,人类对能源的需求量不断增加。然而作为主要能量来源的煤炭、石油和天然气等资源的储量有限,长期过度使用也导致了严重的环境污染。因此,发展清洁的可再生能源迫在眉睫,如氢能,它的开发能够有效地解决现阶段存在的能源危机和环境问题。目前最有希望实现大规模工业化应用的绿色制氢方法是电解水制氢,但需要高效的析氢催化剂来解决其能量消耗大、反应势垒高等问题。众所周知,铂族贵金属是目前具有最好析氢活性的催化剂,但有限的储量和高昂的价格使其难以广泛应用。在众多金属基化合物催化剂中,磷化钴(CoP)因其优异的催化活性、良好的稳定性、低廉的价格和丰富的储量而备受青睐。但与铂族贵金属相比,其本征催化活性和稳定性还有待提高。因此,通过改性策略来提升磷化钴的本征催化活性和稳定性显得尤为重要。针对以上现状本文进行了如下研究:(1)通过简单的水热和水浴相结合的方法在泡沫镍基底上合成Co-Ni双金属前驱体,再经过低温磷化合成Co-Ni双金属磷化物。通过调控水浴过程中镍源的浓度,进而探究镍元素引入对单相CoP电催化析氢性能的影响。电化学测试结果表明,0.1 M镍源浓度的电极表现出最佳催化性能,达到10 m A cm的电流密度仅需38.2 m V的过电位。这主要得益于适量镍原子的引入与Co产生了协同效应,还有效地提高了单相CoP的电化学活性表面积,进而导致催化性能显著提高。(2)通过简单的离子交换方法合成了铁元素含量可控的Co Fe P纳米结构,并在碱性条件下对该纳米材料进行电化学性能测试。结果表明:在30 m M铁源浓度中离子交换30 min的到的样品表现出最低的过电位,达到10 m A·cm仅需29.8m V。最佳催化性能的出现主要源于Co Fe P电极中适量铁原子的掺杂,它不仅改变了CoP表面的电子结构,提高其催化性能,还有效地提高了单相CoP的稳定性,尤其是在高电流密度下。(3)通过水浴、空气退火和低温磷化的方法在Co(OH)F/NF前驱体的基础上制备出了WP/CoO/CoP复合材料纳米催化剂。电化学测试表明,该催化剂在保持较好稳定性的基础上,显著的提高了单相CoP在高电流密度下的电化学析氢性能,达到500 m A·cm电流密度仅需163.9 m V的过电位。经分析得出,其性能的提升可归因于适量W原子的引入以及WP/CoO/CoP复合相的形成,进而有效地加快了反应进程。