过渡金属基复合材料的多组分偶联改性及其电催化性能研究

作     者：张墨 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王国勇;陈晓明

授予年度：2024年

学科分类：081705[工学-工业催化] 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：电解水 电催化剂 过渡金属基催化剂 析氢反应 

摘      要：当今社会能源结构中化石燃料依然占据主导地位,但化石能源储量有限,终将有耗尽的一天。与此同时,化石能源的使用必然排出二氧化碳等温室气体产物。温室气体日积月累的增加会导致日益明显的全球变暖现象。这促使人们探索以清洁能源为锚点的新能源体系以应对当下的资源与环境困境。氢能具有能量密度相对高、可循环再生、绿色环保、取材广泛、储备丰富等典型优势,是当下最具研发潜力的新型清洁能源之一。目前,公认最有潜力的制氢技术是电解水制氢,但其涉及的多电子-质子过程需要很高的反应能垒,这无疑会产生较大的能量损耗。所以开发高效稳定的电解水催化剂是解决电解水制氢技术应用难的关键。单看催化剂的电催化活性,传统的贵金属催化剂表现并不差,但是贵金属的稀缺性导致其成本十分高昂,要想确保经济性和可持续性,就必须探寻存量丰富、价格便宜的非贵金属催化剂。 本文以过渡金属基电催化剂为研究对象,重点研究了这类催化剂的元素组成,并对多组分过渡金属基复合材料进行了研究和多样化制备。通过实验,逐一探讨了这些过渡金属基复合材料的水分解性能,并考察了多组分效应对电催化性能的作用,提出了多组分偶联改性机制,进而制备高性能过渡金属基电催化剂。以下为本文的主要研究内容: （1）研究了磷化铁、磷化钴和磷化镍作为析氢反应（OER）和（HER）催化剂的效果及其耦合效应,通过等高线图筛选,发现Fe0.2Co0.6Ni0.2P是最佳的OER电催化剂,具有最高的电化学性能。在1 M KOH溶液中,Fe0.2Co0.6Ni0.2P仅需280 m V的过电位即可驱动100 m A cm-2的电流密度。在酸性(0.5 M H2SO4,100 m A cm-2,170 m V)和碱性(1.0M KOH,100 m A cm-2,264 m V)环境下,Fe0.2Co0.6Ni0.2P也表现出良好的电催化HER性能。此外,在碱性电解液中,Fe0.2Co0.6Ni0.2P还具有较低的全解水电位（1.56 V）,在10 m A cm-2的电流密度下,经过24小时的工作,稳定性表现良好,没有明显的衰减。 （2）通过水热合成法制备了几种过渡金属双掺杂的泡沫铜负载二维阵列结构的Cu2O催化剂（Cu2O/CF、Ni Co-Cu2O/CF、Ni Mo-Cu2O/CF和Co Mo-Cu2O/CF）。其中,Ni Co-Cu2O/CF催化剂表现出最高的电催化水分解性能,在1 M KOH溶液中,HER活性为(η10=71 m V;η20=140 m V),OER活性为(η10=312 m V;η20=342 m V)。这种出色的催化活性归因于多组分元素之间的偶联作用以及二维纳米片阵列结构。无论是制备方法,还是电催化活性,该催化剂均展示出明显的优势,操作简单且性能优越,满足广泛制备过渡金属氧化物电催化剂的需求,可作为高性能电解水材料的选择。