过渡金属纳米材料的设计及其电催化分解水性能研究

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能源短缺与环境污染是人类社会可持续发展不容忽视的问题。利用电能来催化水的分解来制取氢气和氧气(2H2O→2H2+O2)是一种获取清洁和可再生能源最具有前景的方式,并且也受到了越多越多的科研工作者的广泛关注。目前,基于贵金属的催化剂如商业Pt/C,Ru O2,Ir O2等的催化性能最优异,但由于储量少、价格高等因素限制了其大规模的工业应用。因此,开发储量丰富、价格低廉和高催化活性的非贵金属催化剂材料成为析氢反应(HER)和析氧反应(OER)领域的研究热点和重点。本文借助碳纸(CFP)为模板,先用水热法合成了Co(CO30.35Cl0.20(OH)1.10/CFP纳米线阵列前驱体,然后利用化学气相沉积法,通过高温煅烧将Mo O2沉积到前驱体上,最后再通过高温磷化获得双金属磷化物Mo P/Co2P/CFP,并且研究了其直接作为阴极材料催化HER的性能。结果表明,Mo P/Co2P/CFP在0.5 M H2SO4溶液中,仅需要140 m V的过电位就能达到10 m A cm-2的电流密度,塔菲尔斜率为80 m V dec-1,电荷转移电阻为12.53Ω,双层电容为48.2 m F cm-2。而且在酸性电解质溶液中用循环伏安法循环1000圈后,催化剂的活性几乎毫无衰减,表明Mo P/Co2P/CFP具有卓越的稳定性。另外,还借助了商业多孔阳极氧化铝薄膜(AAO)为模板,先利用沉淀法合成出Ce掺杂的Ni(OH)2前驱体,再用高浓度的Na OH溶液去除AAO模板,得到Ce掺杂的Ni(OH)2纳米管前驱体,然后在空气中煅烧得到Ce掺杂的Ni O纳米管并研究了其作为阳极材料催化OER的性能,磷化得到Ce掺杂的Ni2P纳米管并研究了其作为阴极材料催化HER的性能。结果表明,Ce掺杂的Ni O纳米管在1.0 M KOH溶液中表现出良好的OER性能和稳定性,为了达到10 m A cm-2的电流密度,仅需要347 m V的过电位,塔菲尔斜率为115 m V dec-1,电荷转移电阻为37.2Ω,而且在反复循环1000圈后依然保持良好的催化活性;此外,Ce掺杂的Ni2P纳米管在0.5 M H2SO4溶液中,仅需要116 m V就能达到10 m A cm-2的电流密度,塔菲尔斜率为59 m V dec-1,电荷转移电阻为12.9Ω,且在稳定性测试后,催化活性没有明显的衰减。总之,本文为制备其它高效的非贵金属催化剂提供了新的策略。
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