钴基双金属磷化物的可控制备及其电解水性能研究

作     者：钱敏 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈天云;杨庆华

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] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：双金属磷化物 金属掺杂 析氢反应 析氧反应 电解水 

摘      要：全球研究界已经开始意识到氢能替代传统化石燃料的重要性,可持续产氢技术是未来氢经济的基本前提。电解水制氢因其制备过程无污染、能耗低且制氢纯度高被认为是最环保、最高效且最有前途的制氢技术。但在电解水过程中,由于缓慢的动力学过程导致能耗过大,严重降低了产氢效率,尽管传统的贵金属系催化剂性能优异,但贵金属的高成本和低丰度使得其根本无法大规模应用。因此开发出高效耐用且价格低廉的非贵金属催化剂是进入氢能社会的先决条件。本论文以地壳中含量丰富的Fe、Ni和Co作为研究对象,通过双金属化、形貌调控和原子掺杂等手段,制备了独特的微花结构的双功能催化剂NiCoP/MFs,构建了二维纳米片结构的Fe-Co P NSs作为高效的HER电催化剂。主要研究内容如下:基于结构调控和双金属化的考虑,采用简单的水热法合成了不同镍钴比例的前驱体,然后进行退火和磷化处理制备了一系列双金属磷化物Ni Co P。利用XRD和XPS等表征确定了磷化物的成功制备,并分析了元素的电子价态。通过SEM、TEM和HRTEM观察到该催化剂为纳米片自组装形成的独特微花结构,磷化后纳米片上产生了丰富的孔隙结构,有利于暴露更多的活性位点。通过研究不同镍钴比例对材料形貌的影响,揭示了分级结构的构建对催化活性的改善,实验结果表明,镍钴比例为1:1时合成的NiCoP/MFs性能最优。在1 M KOH中,对于HER和OER过程,在电流密度为10 m A cm时仅需141 m V和314 m V的过电位,而且在进行12 h持续反应后,均展现出了良好的稳定性。经过简单的水热反应和磷化工艺两步法成功构建了不同Fe掺杂量的Co P二维纳米片作为HER电催化剂。此过程中,纳米片结构得以完整保留,磷化后表面产生的缺陷提供了大量的活性位点,有利于质子传输和气体逸出。通过SEM、TEM等表征观察了Fe-Co P NSs的形貌,采用XRD和HRTEM测试确定了Fe的成功掺杂。探究了不同Fe掺杂量对HER性能的影响,结果表明,Fe的引入调控了Co P的电子结构,并且降低了H在Co P表面的吸附能,促进HER过程的进行。Fe-Co P NSs催化剂在1 M KOH中展现了优异的HER活性,在电流密度为10 m A cm时的过电位低至115 m V,且在经过CV循环测试和12 h计时电流测试后,表现出优异的耐久性和稳定性。