杂多酸掺杂聚吡咯衍生物水电解催化剂的制备及性能研究

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水电解制氢技术因其清洁可持续而被受关注。目前析氢反应(HER)和析氧反应(OER)最好的电催化剂分别是Pt基和Ir/Ru基化合物。然而,稀缺性和高成本极大的阻碍了其在水电解制氢领域的广泛应用。因此,以地球上丰富而廉价的元素为基础制备高效、新颖的双功能电催化剂来取代这些贵金属是一个巨大的挑战。尽管已经取得了令人振奋的进展,但是单功能的析氢或析氧催化剂需要用不同的设备和制备流程,其过程繁琐导致成本过高,此外,元素的稀缺性和高成本极大的阻碍了酸性电解水的应用,所以碱性水裂解已成为工业制氢强有力的候选人。因此,非贵的双功能电催化剂在碱性介质中整体水裂解的研究是具有非常重要的意义。本文通过电沉积和碳化的方法制备了杂多酸掺杂的聚吡咯衍生物,并以此作为水电解的催化剂,其不仅表现出优异的析氢和析氧性能,而且具有长期稳定性。具体研究内容如下:(1)通过电沉积制备了自支撑磷钨酸掺杂聚吡咯前驱体PPy-PW12,对前驱体进行煅烧。制备的W/Ni3(PO4)2@NC/NF电催化剂具有良好的HER和OER性能,在1M KOH中电流密度为10 m A cm-2时,所对应的析氢过电位仅需要48 m V,析氧过电位只需要236m V。此外,当W/Ni3(PO4)2@NC/NF作为双功能催化剂用于整体水裂解时,它只需要1.53 V就能达到10 m A cm-2的电流密度。本工作为磷钨酸掺杂的聚吡咯作为水电解自支撑催化剂前驱体提供了一种可行的策略。(2)通过电沉积法在泡沫镍上制备了硅钨酸掺杂聚吡咯前驱体,煅烧前驱体制备催化剂。通过调节电解液中硅钨酸的添加量制备了四种超高负载量的催化剂。催化剂的负载量随着电解液中硅钨酸添加量的增加而增加,由于催化剂表面纳米棒数量的增加,暴露的活性位点变多,其催化性能就得到了提高,但是纳米棒数量过多,导致了纳米棒的聚集,不利于催化反应的进行,所以催化剂的催化性能随着催化剂负载量的增加而先增加后降低。结果表明,当电解液中硅钨酸添加量为4317 mg时,其电解水催化效果最好。当电流密度为20 m A cm-2时,HER过电位为69.46 m V,OER过电位为246 m V。此外,当4317用于总体水裂解双功能催化剂时,它只需要1.6 V就可以达到10 m A cm-2的电流密度,并且催化剂的电压在电流密度为50 m A cm-2下维持了100 h而没有显著变化。本工作为在泡沫镍上制备超高负载量提供了一种简单可行的制备方法,并且为通过调节负载量来优化催化性能提供了一种新的思路。
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