钌、钴基催化剂的制备及其电催化析氢和硫离子氧化性能的研究

作     者：唐相民 

作者单位：成都大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖丹;颜华

授予年度：2024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] 

主      题：电催化 析氢反应 硫离子氧化反应 单原子载体 界面相互作用 原位转变 非对称电化学制氢系统 

摘      要：由于对传统化石燃料的过度依赖,环境污染的严重程度不断升级,开发可持续和环境友好的替代能源的需求已达到了极其紧迫的程度。氢能作为一种可再生、无污染的能源载体,引起了人们的广泛关注。利用风能、太阳能等可再生能源来驱动电化学水分解制氢为获取绿色可持续的氢气提供了一种途径。然而,高能耗成为了电化学水分解制氢发展的阻碍。因此,最大限度地减少电化学水分解过程中的能耗成为了人们关注的重点。本文提出了两种降低电化学水分解制氢能耗的策略,研究内容如下: （1）空位缺陷修饰的氧配位铁单原子材料负载钌团簇作为先进的析氢电催化剂 在本章工作中,我们制备了一种具有丰富空位缺陷的氧配位单原子铁位点（Fe-O）修饰的碳纳米管材料,并以其作为基底锚定Ru团簇（CNT-V-Fe-Ru）作为高效的析氢催化剂。通过XRD、SEM、BET、XAS等表征手段证明了该材料存在富缺陷结构和Fe单原子位点以及Ru团簇在单原子位点上的稳固锚定。该催化剂在酸性和碱性介质中均表现出良好的析氢反应（HER）性能,在10 m A cm电流密度下,CNT-V-Fe-Ru在0.5mol L HSO和1mol LKOH的电解液中的过电位分别为64 m V和38 m V。理论计算也证实了CNT-V-Fe-Ru的优越HER性能与金属-基底相互作用有较强的关联。本研究强调了单原子载体作为先进支撑材料的独特优势,为在原子水平上充分调节金属-基底界面的电子结构提供了案例,同时也为设计低能耗的析氢催化剂提供了新的思路。 （2）泡沫镍负载的镍钴基硫化物作为高效的硫离子氧化电催化剂辅助超低能耗制氢 在本章中,我们制备出了Ni掺杂的碱式碳酸钴纳米棒阵列（Ni-Co-C/NF）被用作硫离子氧化反应（SOR）的独特预电催化剂。在SOR过程中,Ni掺杂的碱式碳酸钴纳米棒表面原位转化为具有高度非晶化的Ni、Co基硫化物（Ni-Co-S/NF）。Ni-Co-S/NF获得了高的SOR本征活性,并且只需要0.366 V ***的超低电势就可以达到100m A cm的电流密度。同时,设计了一种以Ni-Co-S/NF为催化电极的不对称酸碱耦合电解系统,实现了氢气和硫的同时生产。精心设计的系统显著降低了氢气生产的能耗,甚至可以在低电流密度下产生额外的电能。这项工作为原位重建和不对称电解质提供了独特的见解,将促进氢能的快速发展。