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硫化镍复合碳纳米纤维的制备及其电催化析氢性能

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现代纺织技术 2022年第3期30卷 81-88,128页

作者：韦悦王晟纪律律浙江理工大学材料科学与工程学院杭州310018

为提高硫化镍材料的电催化析氢性能,采用静电纺丝、碳化和硫化相结合的方法,制备了NiS纳米颗粒负载于碳纳米纤维的复合材料(NiS@CNFs),并利用多种表征技术分析该复合材料的组成和结构。研究发现:当硫化反应温度为700℃时,所制备的NiS@C... 详细信息

为提高硫化镍材料的电催化析氢性能,采用静电纺丝、碳化和硫化相结合的方法,制备了NiS纳米颗粒负载于碳纳米纤维的复合材料(NiS@CNFs),并利用多种表征技术分析该复合材料的组成和结构。研究发现:当硫化反应温度为700℃时,所制备的NiS@CNFs具有最佳的电催化析氢性能,产生10 mA/cm^(2)的催化电流密度仅需220 mV的过电势。结果表明NiS纳米颗粒与碳纳米纤维的协同效应有利于提高催化剂的电催化析氢性能。

关键词：静电纺丝硫化镍碳纳米纤维电催化析氢反应

硫化镍纳米复合电极材料的制备及电化学性能研究

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硫化镍纳米复合电极材料的制备及电化学性能研究

作者：丁洁菲沈阳工业大学

学位级别：硕士

经济社会的快速发展对能源的需求日益增加,然而传统化石能源枯竭和环境污染日益加剧。因此开发新型储能装置将可再生能源转化为稳定的电能,提高其利用率成为当前首要任务。在诸多储能器件中,超级电容器由于循环稳定性好和功率密度大等特... 详细信息

经济社会的快速发展对能源的需求日益增加,然而传统化石能源枯竭和环境污染日益加剧。因此开发新型储能装置将可再生能源转化为稳定的电能,提高其利用率成为当前首要任务。在诸多储能器件中,超级电容器由于循环稳定性好和功率密度大等特性,在混合能源系统、紧急供电、通信等领域具有广阔的发展潜力。然而实际应用中对能量密度的需求远高于超级电容器件目前所能达到的水平。在保证其他性能不降低的前提下,提升能量密度成为超级电容器研究的主要方向。装置的能量存储性能与电极材料关系密切。因此,设计和制备高能量密度的电极材料成为储能器件研究的重点。作为超级电容器电极材料,硫化镍储量丰富、带隙窄、理论比容量大同时价格低廉。但在充放电过程中体积变化结构易坍塌,使循环稳定性变差。本文以NiS材料为研究对象,以结构纳米化和构建复合材料为研究思路,制备了NiS及复合材料,并对其性能进行研究。主要内容如下:采用温和的溶剂热法获得了尺寸均匀、形貌均一的树枝状NiS纳米片电极材料。这种特殊结构提供了更多的电活性位点,使电极材料的比容量和循环性能显著提高。在三电极系统中,比容量达到600.9 C g(1 A g)。将其作为正极材料组装成混合超级电容器,在1396.7 W kg时其能量密度达33.7 W h kg。为进一步提升电极材料的储能性能,通过与导电聚合物PPy复合提高NiS电极材料的导电性和结构稳定性。通过水热和电沉积法制备了无粘结剂的PPy修饰的NiS纳米片。通过控制沉积时间,对PPy的制备条件进行优化。沉积时间为50 s时获得最优材料。在1A g电流密度下,比容量达1484 C g。以NiS/PPy为正极材料组装成柔性器件,1356.43Wkg时其能量密度达74.6 Wh kg,并显示出优越的机械柔性。与过渡金属氧化物CoO复合实现材料性能的优化。利用水热法在泡沫镍基底上制备CoO纳米针,随后利用循环伏安电化学沉积法在其表面负载了片状NiS结构,制备厚度可控的三维CoO@NiS纳米材料。在1 A g时输出比容量为1071 C g,并在循环10000次后容量保持率达86.7%。组装的混合超级电容器在功率密度为2880 Wkg时能量密度最大为77.92 Wh kg。

关键词：硫化镍超级电容器电化学性能循环稳定性能量密度

硫化镍/碳复合材料的制备及其电化学性能研究

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硫化镍/碳复合材料的制备及其电化学性能研究

作者：吴丹烟台大学

学位级别：硕士

随着数字化、智能化、交通电气化的持续发展,迫切地需要开发各种绿色、稳定和高效的电化学储能体系。超级电容器作为一种先进的能源存储与转换器件备受科研工作者的青睐,而对其电极材料的研发和优化是提升储能性能的关键。近年来,硫化... 详细信息

随着数字化、智能化、交通电气化的持续发展,迫切地需要开发各种绿色、稳定和高效的电化学储能体系。超级电容器作为一种先进的能源存储与转换器件备受科研工作者的青睐,而对其电极材料的研发和优化是提升储能性能的关键。近年来,硫化镍因其较高的理论比电容、丰富的电化学反应位点、可调节的成分和低电负性等特点成为一种极具潜力的电极材料。然而,硫化镍的导电率低,制备过程中易团聚且电化学过程中易发生体积膨胀,导致了其不理想的电化学性能。为了解决以上问题,本论文选取结构多样、稳定性强且导电性良好的碳材料为复合对象,通过优化制备方法,调控微观形貌,设计层次化结构将其与硫化镍协同耦合利用物相表征、结构形貌分析和电化学测试等手段,精确解析电极材料的储能机制和构效关系。本文主要工作如下:1.针对硫化镍在合成过程中易团聚,活性面积降低的问题,利用原位水热法成功制备了三维双壳结构的多孔空心碳球Ni S复合材料(PHCSs/Ni S)。以废弃酵母细胞壁衍生的空心碳球为基底,可以有效抑制Ni S纳米颗粒的聚集确保更多的活性位点,从而提升复合材料的储能性能。此外,通过调节反应过程中镍离子的含量,PHCSs/Ni S复合材料的比容量得到了改善。优化后的PHCSs/Ni S-3样品在1.0 A g下具有1436.9 F g的高比电容,经过5000次的循环后电容保持率高达81.3%。以PHCSs/Ni S-3为正极,商业活性炭为负极组装的混合超级电容器具有24.4 Wh kg的高能量密度。这项工作巧妙地实现了环境与能源领域的交叉结合,为制备经济、高效的电极材料提供了可行性策略。2.以多孔空心碳球为基底可以有效改善Ni S的聚集问题,但复合材料的循环稳定性依旧不佳。研究发现,实现微观形貌的有效调控以及碳材料和Ni S的稳定结合有望进一步提升复合材料的循环寿命。在此,通过次氮三乙酸(NTA)辅助水热策略合成了一系列由纳米板或纳米棒自组装而成的Ni S/碳六面体复合材料。结果表明,NTA的络合作用不仅能使碳材料和Ni S化学键合,而且可以调控六面体单元结构的结构形态。得益于分层组装模式和稳定结构的协同作用,优化后的Ni S/NTA-2复合材料表现出卓越的电化学性能,在1.0 A g下具有1530.4 F g的出色比电容,并且在经过5000次循环后表现出高达85.6%的循环寿命。构建的Ni S/NTA-2//AC混合超级电容器具有高达35.1 Wh kg的能量密度。该策略利用金属络合物独特的化学性质,为设计形态可控且高稳定性的电极材料进行了有效的探索。3.在前面的工作中,Ni S的高比电容优势在复合材料中发挥的作用有限。为此,利用一种新颖且可扩展的“内外协同”策略将两种形貌的Ni S与碳纤维(CFs)相结合来制备高比电容的Ni S/CF@Ni S复合材料。大小均匀的Ni S纳米颗粒和相互独立的Ni S纳米片被分别引入到互连碳纤维的内部和外部区域,这不仅缓解了纳米颗粒的聚集,而且实现了法拉第电容的双重引入。特殊的结构设计使Ni S/CF@Ni S-3电极在1.0 A g的电流密度下的比电容达到了1691.1 F g。组装的Ni S/CF@Ni S-3//AC混合超级电容器的最大能量密度和功率密度也高达31.2Wh kg和4004.3 W kg。此外,该器件在循环5000次后的比电容仍为初始值的87.8%,表现出良好的循环寿命。这种“内外结构同时利用”的设计为各类纤维基储能材料的开发提供了新见解。

关键词：硫化镍碳材料废弃生物质形貌调控内外协同超级电容器

硫化镍修饰的硫化镉/硫化锌异质结复合光催化剂用于高效光催化产氢性质的研究(英文)

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Chinese Journal of Catalysis 2017年第12期38卷 2102-2109页

作者：江道传祝亮 Rana Muhammad Irfan 张磊杜平武中国科学技术大学化学与材料科学学院材料科学与工程系中国科学院能量转换材料重点实验室能源材料化学协同创新中心安徽合肥230026

光催化水分解是一种经济而且可持续的利用太阳能来制备洁净能源氢气的方式,因此寻找和开发高效稳定的光催化剂已成为光催化产氢领域的研究热点.CdS因其具有高效、廉价、较负的导带位置等优点而引起人们的关注.然而,由于CdS镉本身光生电... 详细信息

光催化水分解是一种经济而且可持续的利用太阳能来制备洁净能源氢气的方式,因此寻找和开发高效稳定的光催化剂已成为光催化产氢领域的研究热点.CdS因其具有高效、廉价、较负的导带位置等优点而引起人们的关注.然而,由于CdS镉本身光生电子/空穴对易复合,以及存在光腐蚀等不足,限制了其实际利用.为了提高CdS的光催化水分解产氢性质,人们开发了构建异质结和负载助催化剂等策略.近年来,ZnO,g-C_3N_4,TiO_2等半导体已被证实可以与CdS一起形成Ⅱ型异质结来促进光生电子和空穴的分离,进而提升光催化产氢性质.此外,传统的type Ⅰ型CdS/ZnS异质结也被证实能提高光催化产氢速率.研究表明,ZnS一方面能够钝化CdS表面态,另一方面ZnS半导体中存在缺陷能(VZn,IS),有利于转移CdS价带的空穴,最终大幅度提高了整个体系的光催化活性.在适用于CdS的各种助催化剂中,由于常用的Pt,Pd和Ru等贵金属的高成本严重限制了它们的实际应用,所以近年来基于过渡金属的各种非贵金属助催化剂(包括MoS_2,Ni_2P,FeP,Ni_3N,NiS,Ni(OH)_2等)得到了广泛的研究.我们采用原位化学沉积法将无定型的NiS助催化剂修饰在CdS/ZnS异质结表面,开发出廉价高效的NiS-CdS/ZnS三元产氢光催化体系.在该三元体系中,NiS和ZnS分别用于促进CdS导带上光生电子和价带的光生空穴的分离及利用,从而使得高能的CdS的光生电子转移到NiS表面并应用于光催化产氢,而高能的CdS的光生空穴被应用于氧化牺牲剂Na2S和Na_2SO_3,最终实现了整个体系的高效光催化产氢活性及稳定性.我们首先利用水热合成法得到大量的CdS纳米棒,然后使用化学浴沉积法在CdS表面沉积一定量的ZnS壳层,制备出CdS/ZnS异质结.光照前,采用原位化学沉积法将NiS颗粒负载在CdS/ZnS表面.光催化产氢的性能测试表明,当初始加入镍盐(20 mmol/L)量为100μL时,所得样品N2(NiS-CdS/ZnS)产氢效率最高(574μmol·h^(–1)),分别是CdS/NiS,CdS/ZnS和CdS的16.2,5.6和38倍.复合材料的表观量子效率高达43.2%.由此可见,NiS助催化剂和CdS/ZnS异质结存在协同效应,实现了三元体系的高效的光催化产氢性能.瞬态光电流测试结果表明,ZnS和NiS的加入能有效地促进光生电子/空穴的分离和利用.X射线衍射结果表明,CdS以六方相的形式存在,负载ZnS和NiS之后没有明显变化.高分辨透射电子显微镜照片和元素分布证实了NiS-CdS/ZnS复合材料中ZnS和NiS富集在纳米棒表层,其中NiS没有明显晶格条纹.紫外-可见漫反射结果表明,NiS和ZnS的负载后,复合材料的吸收边和纯相的CdS相近,而加入NiS助催化剂使得复合催化剂的颜色变黑,进而增加了可见光的吸收.

关键词：光催化产氢硫化镉/硫化锌半导体异质结硫化镍

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硫化镍基材料的制备及其光热转换性能研究

硫化镍基材料的制备及其光热转换性能研究

作者：张野哈尔滨师范大学

学位级别：硕士

伴随社会发展与科技进步,一些社会性问题层出不穷,例如水资源短缺、癌症、细菌感染等问题。近年来科研工作者们发现光热转换材料可以较好的解决上述问题,其可以高效地将太阳能转换为热能,在空气与水界面形成局部高温,从而加速水蒸气的产... 详细信息

伴随社会发展与科技进步,一些社会性问题层出不穷,例如水资源短缺、癌症、细菌感染等问题。近年来科研工作者们发现光热转换材料可以较好的解决上述问题,其可以高效地将太阳能转换为热能,在空气与水界面形成局部高温,从而加速水蒸气的产生,利用清洁与丰富的太阳能驱动光热剂进行水蒸发是解决水资源短缺的一种有效途径,产生洁净水的同时还可用于海水淡化与废水净化等方面。此外,光热转化材料结合近红外光照射形成的局部高温也可用于癌细胞与细菌的杀伤,一些光热转化材料还可以催化过氧化氢分解产生强毒性的羟基自由基(·OH),实现化学动力学治疗,从而改善了化学药物治疗、抗生素治疗等抗药问题。目前报道的光热转换材料存在稳定性差、生物毒性高等缺点,限制了其在实际生产生活中的应用。基于此,本论文首先通过溶剂热法合成硫化镍基材料,其具有较强的光热转化性能、理想的热稳定性以及良好的生物相容性等特点,进一步通过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对硫化镍(NiS)形貌与粒径进行调控,获得了NiS@PVP纳米球;随后通过对NiS进行Ag修饰,制备了Ag(8.5%)@NiS微球,分别将其用于太阳能驱动的水蒸发、肿瘤治疗与抗菌治疗,主要内容如下:(1)利用核壳结构非化学计量的NiS微球和琼脂水凝胶制备了一种高效的Janus水凝胶膜。固定在琼脂水凝胶中的NiS在200-2500 nm处具有全光谱吸收特性,可以进行高效的光热转换,并调节水的传输通道。此外,底部的纯琼脂能有效地输送水,避免热量损失。通过浇注法,Janus水凝胶膜易于制备成各种形状,因此,其可以根据所使用的环境进行调整。优化后的Janus水凝胶膜-1具有良好的亲水性,在一个太阳光照射下其具有良好的太阳能水蒸发速率(1.45 kg m h)与光热转化效率(97.0%)。理论模拟结果表明,Janus水凝胶膜-1优异的水蒸发性能主要是由于其相对自由的水输送通道所致。此外,Janus水凝胶膜-1可用于各种介质中的水蒸发应用,包括海水淡化、重金属离子、有机废水和生活污水的净化。(2)通过优化聚乙烯吡咯烷酮的用量,成功地制备了NiS@PVP纳米球,与盐酸二甲双胍混合后分散于透明质酸钠(HA)水凝胶中,构建NiS@PVP@HA肿瘤治疗平台,其在近红外光照射下具有优异的光热转化性能,可用于肿瘤光热治疗(PTT)。NiS@PVP纳米球可快速降解为镍离子与硫离子,其降解产生的镍离子可催化肿瘤细胞内源性过氧化氢(HO)分解,从而产生毒性极强的·OH实现肿瘤的化学动力学治疗(CDT)。载入的抗肿瘤药物盐酸二甲双胍可以提升肿瘤杀伤效果,在近红外与超声的作用下,该治疗平台具有药物控释性能。小鼠的体内肿瘤实验结果表明,NiS@PVP@HA多功能治疗平台实现了对乳腺肿瘤的PTT/CDT/化疗协同治疗,有效抑制了肿瘤的生长。(3)通过Ag的掺杂,成功地制备了Ag(8.5%)@NiS微球,将其分散于聚丙烯酰胺与壳聚糖中形成具有抗菌与促进组织愈合功能的敷料(命名为dressing-2:1)。内部的Ag(8.5%)@NiS使水凝胶具有优异的光热转换性能,使用808 nm(0.5 W cm)激光对其进行照射,其温度在10 min内能够迅速升高。此外,Ag(8.5%)@NiS还具有过氧化物酶活性,可以催化低浓度HO产生活性氧。dressing-2:1结合近红外光在伤口处产生的局部高温及其中富含的Ag可以破坏细菌的外膜结构,从而杀灭伤口部位的细菌。构建的水凝胶敷料具有良好的生物相容性、无毒、保湿、止血等优点,为再生细胞的生长提供了所需的环境与条件,可促进伤口愈合。小鼠的伤口愈合实验进一步证明了dressing-2:1水凝胶具有优异的抗菌效果。

关键词：硫化镍光热转换水蒸发抗肿瘤抗菌

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硫化镍基电极材料制备及电解水催化性能研究

硫化镍基电极材料制备及电解水催化性能研究

作者：吴新凤中南大学

学位级别：硕士

水分解制氢可将风能、潮汐能产生的电能转化为氢能存储起来。然而,水分解受溶液电阻、阳极析氧多步质子耦合电子转移过程的影响,反应能垒增加、效率降低。开发低成本、高活性催化剂为降低反应能垒提供了可能。镍基硫化物在强氧化环境中... 详细信息

水分解制氢可将风能、潮汐能产生的电能转化为氢能存储起来。然而,水分解受溶液电阻、阳极析氧多步质子耦合电子转移过程的影响,反应能垒增加、效率降低。开发低成本、高活性催化剂为降低反应能垒提供了可能。镍基硫化物在强氧化环境中常因热力学稳定性较差发生氧化重构,暴露出大量的活性位点,起到加速电解水的效果。本文通过水热硫化成功合成了具有析氢和析氧双功能催化效果的镍基硫化物,探究析氧反应中结构演化过程;通过Fe元素掺杂调控复合材料Fe Ni S/NF-C的表面电子分布和化学结构,加速诱导结构重构,增加反应活性位点。本文主要内容如下:(1)硫化镍结构演化及电解水性能研究。利用泡沫镍(NF)作为催化材料基底,通过调控水热硫化的温度,得到了催化活性优异、稳定性良好的NiS/NF催化剂。该催化剂经电氧化诱导重构为Ni OOH/NiS/NF,其在10 m A cm的电流密度下,OER过电势仅为255.4 m V dec,塔菲尔斜率为26.46 m V dec。结构表征和OER极化曲线证明重构过程中NiS/NF表面生成Ni OOH的同时S元素电氧化浸出为SO。此外,原始的NiS/NF也能在68 m V的过电位下驱动HER产生10 m A cm的电流密度。以Ni OOH/NiS/NF和NiS/NF分别作为阳极和阴极组装成全水解电解池,该电解池具有良好的水电解(WE)催化性能,可在1.57 V驱动水分解并达到10 m A cm的电流密度。(2)镍铁硫复合材料的合成及电解水性能研究。通过调控水热生长过程中Fe和Ni原子的摩尔比,实现了Fe Ni S/NF-C纳米材料的制备。XRD和拉曼表征说明Fe元素被成功引入,透射电镜分析证实了Fe/Ni比例为1∶1的Fe Ni S/NF-3具有较大的表面积。Fe元素的引入调节了Fe Ni S/NF-3中Ni和S配位环境,有助于Ni 3d-S 2p轨道之间共价增强。同时Fe元素协同促进电化学演化,诱导大量Ni向Ni转变形成高活性Ni OOH并形成少量Fe OOH,使Fe Ni S/NF-3在1 M KOH溶液中10 m A cm电流密度下,OER过电势仅为221 m V,Tafel斜率也低至24.11 m V dec。此外,Fe Ni S/NF-3也具有良好的HER性能,可在61 m V的低过电位下催化产氢。以Fe Ni S/NF-3作为全水解电解池的阴阳极,能在1.502 V驱动水分解并达到10 m A cm的电流密度。图47幅,表9个,参考文献130篇

关键词：硫化镍析氧反应表面重构 Fe掺杂

硫化镍基电极材料的设计、制备以及在超级电容器中的应用研究

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硫化镍基电极材料的设计、制备以及在超级电容器中的应用研究

作者：李轩江苏大学

学位级别：硕士

当下,全人类对能源的需求与日俱增,伴随着能源价格的不断上涨,促使人们探寻更多清洁、廉价的能源,进一步激发了对新型储能装置的研究与开发。其中较为突出的一类:超级电容器,优点包括功率密度大、充放电速率快、循环稳定好等等。其与充... 详细信息

当下,全人类对能源的需求与日俱增,伴随着能源价格的不断上涨,促使人们探寻更多清洁、廉价的能源,进一步激发了对新型储能装置的研究与开发。其中较为突出的一类:超级电容器,优点包括功率密度大、充放电速率快、循环稳定好等等。其与充电电池之间仍存在一些差距,电极材料作为构成超级电容器的重要一环,应使其拥有更大的能量密度来满足实际运用,所以仍需要重大突破。就此,本文主要探讨了如何设计并合成出具有更高比电容的电极材料,并对所制备的电极材料进行相应的电化学表征。1.固相诱导合成NiS用于高性能混合超级电容器选用尺寸均一、表面光滑的Si O为模板,调节反应体系碱性的强弱,经过水热生长,进而得到Ni(OH)/NiSiO(OH),后续再通过一步退火法将前驱体转化为NiS纳米微球。经过系列表征,所制备的NiS电化学性能为:电流密度为1 A/g时,硫化产物NiS-2的比电容最佳,为799 F/g,拥有优异的倍率性能和良好的循环稳定性。将NiS-2和活性炭(AC)作为超级电容器器件的正极和负极,在电流密度为1 A/g时,器件的比电容可到达69 F/g,循环5 000次后电容可保持初始的73.9%,而且在功率密度为852.2 W/kg时,能量密度为27.7 Wh/kg。2.乙二醇辅助自模板法合成空心NiS微球用于高性能混合超级电容器采用镍(II)和乙二醇在高温下反应,初步合成了固体Ni-glycolate/Ni微球。镍(II)的来源对Ni-glycolate/Ni的形成有重要影响。当选择醋酸镍为镍源可以得到Ni-glycolate/Ni,而硝酸镍则不可以,可能归因于醋酸镍和硝酸镍的溶解导致体系酸度的不同。通过与硫代乙酰胺(TAA)在溶剂热条件下反应和热处理,将Ni-glycolate/Ni微球作为自模板来引导空心NiS微球的形成。驱动力是来自镍离子(Ni-glycolate/Ni)和TAA分解中硫离子的扩散速率不同所产生的柯肯达尔效应。在电流密度为1 A/g下,空心NiS微球的比电容最佳,为1674 F/g,倍率性能良好、循环性能较好。制备出的器件NiS//AC在功率密度为850.3 W/kg的情况下,提供了43.3 Wh/kg的高能量密度。3.Zn-BTC MOF为自模板合成分层ZnS/NiS异质结构以改进混合超级电容器电化学性能以Zn-BTC为模板和锌源,通过阳离子交换和固相硫化工艺合成了ZnS/NiS异质结材料。对ZnS/NiS的表征结果显示:表面积的增加,可以提供更多的活性位点,进一步促进了离子/电子的迁移和电解质的快速扩散。以上优点以及两种金属硫化物的协同作用增强了ZnS/NiS的电化学性能。ZnS/NiS比电容为1547F/g(1 A/g),电容保持率为78%(6 A/g 1214 F/g)。此外,组装的混合器件(ZnS/NiS//AC),功率密度为794 W/kg时,具有较高的能量密度,26.3 Wh/kg。值得注意的是,5 000次充放电后,组装好的ZnS/NiS//AC的容量没有衰减。

关键词：硫化镍中空异质结超级电容器

硫化镍基复合三维纳米全水分解电催化剂的合成与性能研究

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硫化镍基复合三维纳米全水分解电催化剂的合成与性能研究

作者：刘奕彤东北师范大学

学位级别：硕士

由于环境污染问题以及能源危机问题愈发严重,积极寻找并使用洁净可再生能源,改善目前的多碳能源局面已成为人类文明进步和科学技术发展的必然趋向。氢能在处理目前资源和环保问题上被人们寄予厚望。电催化全分解水是近年来较为完善的技... 详细信息

由于环境污染问题以及能源危机问题愈发严重,积极寻找并使用洁净可再生能源,改善目前的多碳能源局面已成为人类文明进步和科学技术发展的必然趋向。氢能在处理目前资源和环保问题上被人们寄予厚望。电催化全分解水是近年来较为完善的技术,通过电解水的方法所获得的氢气纯度高,具有实际应用价值。析氢反应(HER)以及析氧反应(OER)共同构成了电催化全分解水的主要组成部分。电催化全水分解的电压在理论上为1.23 V,但实际值要大于理论值,这是由于电解质溶液会对界面传质的效率及速度造成影响。因此,若想发展电解水技术,我们的首要任务是开发高活性且稳定性良好的电催化剂。镍基硫化物在自然界中丰度较高且价格便宜,在能量储存与能量转换等方面引起了人们广泛的重视。具有特定相的镍基硫化物在电催化领域展示出良好的活性,但若要达到符合实际应用的要求,镍基硫化物的催化活性和稳定性仍需进一步改善。本文以泡沫镍为基底,将电沉积方法合成的硫化镍与其他物质进行复合,协同作用使两者的形貌及电子结构发生改变,产品的催化活性得到提升,成为一种性能良好的全水分解电催化剂。1.我们通过两步电沉积的方法制备了CeO-NiS/NF复合材料。复合后HER催化活性(η=177 m V)及OER催化活性(η=374 m V)均得到了优化。此外,作为电催化全分解水的CeO-NiS/NF电催化剂,仅需1.51 V的分解电压即可达到10 m A cm的电流密度。并且CeO-NiS/NF的HER、OER的过电势以及电催化全分解水的分解电压在长达20小时的测试后依然几乎没有发生改变,具有良好的稳定性。电催化剂催化活性的提升是由于复合后CeO与NiS两者产生的协同作用使电子结构优化,并且两者之间产生了强烈电子相互作用。2.通过水热与电沉积结合的方法将层状双金属氢氧化物(LDH)与硫化镍复合,合成了Co V LDH-NiS/NF及Co Ni LDH-NiS/NF样品。复合后样品HER,OER和电催化全分解水活性均有明显改善,这是由于样品表面形貌,电子状态等发生了变化,丰富了样品的活性位点。Co V LDH-NiS/NF同时具有优异的HER催化活性(η=251 m V)以及OER催化活性(η=389 m V),Co Ni LDH-NiS/NF的HER催化活性(η=193 m V)以及OER催化活性(η=382m V)也表现出色。作为阴极与阳极催化全分解水时,Co V LDH-NiS/NF以及Co Ni LDH-NiS/NF达到10 m A cm的电流密度分别需要1.54 V以及1.51 V的分解电压,并且两者均具有良好的耐久性。

关键词：电催化全分解水析氢反应析氧反应硫化镍氧化铈 LDH

硫化镍基纳米异质结构的合成及电催化机理研究

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硫化镍基纳米异质结构的合成及电催化机理研究

作者：程佳宁河北工业大学

学位级别：硕士

为加快生态文明建设,优化能源结构,国家在2020年提出碳达峰和碳中和的策略,因此开发清洁的绿色能源来替代传统的化石能源就显得尤为重要。氢能因其高能量密度,零碳排放,便于储存和运输等诸多优点被认为是最有前景的清洁能源之一。而目... 详细信息

为加快生态文明建设,优化能源结构,国家在2020年提出碳达峰和碳中和的策略,因此开发清洁的绿色能源来替代传统的化石能源就显得尤为重要。氢能因其高能量密度,零碳排放,便于储存和运输等诸多优点被认为是最有前景的清洁能源之一。而目前电解水制氢被认为是最理想的制氢方式,但仍然需要寻找廉价且性能优异的电催化剂来减少反应的过电位,加快析氢反应(HER)和析氧反应(OER)动力学。硫化镍(NiS)由于其独特的电子结构,优异的导电性和HER/OER双功能活性,近些年来受到广泛关注。然而,这类催化剂存在本征催化活性低和催化位点数量少等问题,阻碍了其进一步的应用。本文通过构建异质结构的策略,改善金属活性位的电子结构,增加活性位点数量,加快HER和OER反应动力学,并结合密度泛函理论计算(DFT),深入探究了金属活性位电子结构与电催化性能之间的构效关系。(1)利用水热法和化学还原法在泡沫镍基底上成功制备了金复合硫化镍纳米片异质结构催化剂(Au/NiS/NF),调控了Au的负载量,测试了不同Au负载量下催化剂的电催化性能。研究结果表明,Au/NiS/NF在碱性条件下展现出良好的双功能电催化性能,电流密度为10 m A·cm时,HER和OER的过电位(η)分别为97和230m V。将Au/NiS/NF作为电解槽的阴极和阳极进行水分解,其性能为1.52 V@10m A·cm,并能保持60 h的稳定性。Au/NiS/NF电催化性能的提升归因于丰富的活性位点,显著提升的本征活性及加速的界面电荷转移。X射线吸收精细结构谱(XAFS)和X射线光电子能谱(XPS)结合理论计算表明异质结能够有效调控Ni位点的电子结构,优化HER和OER反应中间体的吸附自由能。(2)通过光还原的方法在NiS/NF上负载银纳米颗粒形成Ag/NiS/NF异质结催化剂,以Ag的负载量作为变量,对催化剂进行HER、OER和全水解性能测试。优化后的Ag/NiS/NF展现出良好的催化活性,电流密度为10 m A·cm时,其HER和OER的过电位分别为89 m V和220 m V;将Ag/NiS/NF作为电解池的阴极和阳极,其性能为1.51V@10 m A·cm,并能维持15 h的稳定性。Ag/NiS/NF异质结的存在提供大量的活性位点,加速电荷转移并优化本征活性。XPS及DFT理论计算表明异质结的存在提升了材料的导电率、有效调控了NiS的电子结构。

关键词：硫化镍异质结构析氢反应析氧反应全水解反应