无定形硫硒化镍用于催化碱性析氢反应及尿素氧化反应的研究

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氢能具有高效清洁,资源丰富,储存运输方便和适用范围广等优点从而受到了广泛的关注。电解水制氢凭借其原料丰富,制得的氢气纯度高,可控的反应速率等优点被视为最有前景的制氢方式。析氢反应(HER)是电解水制氢技术的关键反应。开发廉价、高效的非贵金属析氢催化剂对于电解水制氢的大规模应用至关重要。因此,本文采用离子交换的方法制备了无定形硫硒化镍纳米片阵列。基于泡沫镍(NF)三维、多孔结构的结构,将其作为基底,成功制备了无定形Ni-S-Se/NF纳米片阵列。研究发现,在碱性条件下无定形硫硒化镍具有出色的HER性能,在10和100 m A cm-2的过电位分别为98和206 m V(1 M KOH)。相比于无定形硒化镍,硫的引入使无定形硫硒化镍的催化活性大幅提升;而相比于无定形硫化镍,无定形硫硒化镍中单位硫的活性有显著提高。通过密度泛函理论计算得到无定形硫硒化镍具有三者中最高的H2O吸附能和最优的H*吸附自由能。此外,无定形硫硒化镍具有较大的活性面积和憎水/疏气的特性也有利于提高HER活性。全电解水反应由阴极的HER和阳极的析氧反应(OER)构成,与HER相比,OER反应动力学更缓慢且过电位更高。因此,寻找比OER电极电位更低且更有价值的反应来替代OER是提高电解水制氢效率的有效方法。将尿素氧化反应(UOR)代替OER,可以显著降低阳极电位,进而提高电解制氢的能量效率,并且同时可以去除水中的尿素,达到净化水质的目的。本文将无定形硫硒化镍用于催化碱性条件下的UOR,展现了出色的UOR活性以及稳定性。研究发现,无定形硫硒化镍在UOR的活性物种为原位生长的Ni OOH,主要氧化产物为N2和CNO-。进一步地,将无定形硫硒化镍同时作为阴极和阳极催化剂组装了尿素辅助的水电解池,并证明了该电解池具有优异的性能,在1 M KOH+0.5 M Urea溶液中,10和100 m A cm-2对应的电压仅为1.43和1.59 V,显著低于相应的纯水电解池。上述结果证明了无定形硫硒化镍是一种具有优异HER和UOR性能的双功能催化剂。本文的研究加深了对无定形硫硒化物催化机理的认识,并为无定形催化剂的开发提供了新思路。
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