【摘 要】
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氢能是一种燃烧热值高、能量密度大、产物清洁无污染的二次能源。电解水制氢是实现氢能规模化应用的最佳途径,研究和开发高效稳定且成本低廉的电解水催化剂是推动电解水制氢产业发展的关键。本论文首先以镍基电催化剂为研究对象,然后通过界面构筑、杂原子掺杂和单原子修饰等手段调控其局域电子态以优化表面水分解反应中间体的吸脱附,从而提高材料的催化活性和稳定性,为构筑高效稳定的电解水催化剂提供实验参考和理论指导。具体研
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氢能是一种燃烧热值高、能量密度大、产物清洁无污染的二次能源。电解水制氢是实现氢能规模化应用的最佳途径,研究和开发高效稳定且成本低廉的电解水催化剂是推动电解水制氢产业发展的关键。本论文首先以镍基电催化剂为研究对象,然后通过界面构筑、杂原子掺杂和单原子修饰等手段调控其局域电子态以优化表面水分解反应中间体的吸脱附,从而提高材料的催化活性和稳定性,为构筑高效稳定的电解水催化剂提供实验参考和理论指导。具体研究内容如下:（1）为实现高效双功能型电解水催化剂的制备,并揭示界面构筑对材料催化活性调控的微观作用机制。本研究首先以碲化镍（NiTe）纳米棒为前驱体,采用不同方法构筑包含碲化镍/二氧化钌（NiTe/RuO2）界面和碲化镍/镍铁层状双氢氧化物（NiTe/NiFe-LDH）界面的NiTe@RuO2和NiTe@NiFe-LDH复合纳米结构,并分别用于催化碱性电催化析氢（Hydrogen Evolution Reaction,HER）和电催化析氧（Oxygen Evolution Reaction,OER）。独特的三维多级分层异质结构拥有更大的比表面积和更多的活性位点,且不同物相耦合协同能发挥不同纳米材料的催化特性,因此NiTe@RuO2和NiTe@NiFe-LDH的HER和OER催化活性得到显著提升。将NiTe@RuO2和NiTe@NiFe-LDH分别作为阴极和阳极组装的碱性水分解电解槽仅需1.58 V的电压就可以实现100 m A cm-2的电流密度。这为双功能电解水催化剂的开发和应用提供新的视角和实践参考。（2）针对镍基复合纳米结构制备工艺复杂问题,本研究采用简单一步水热法将微量铑（Rh）掺杂到NiFe-LDH纳米片中以简化制备工艺并优化纳米结构设计。Rh掺杂可以调控NiFe-LDH的电子结构,从而优化OER反应中间体在催化剂表面的吸附和解吸以提升催化活性和稳定性。将NiFeRh-LDH同时作为碱性水分解电解槽的阴极和阳极,仅需1.565 V的电压就可以达到100 m A cm-2且能稳定工作超过150 h,具有较好的应用前景。（3）为了降低贵金属的用量从而降低催化电极材料的成本,本研究采用简单的一步水热法合成单原子钌/镍钒双氢氧化物（Ru/Ni3V-LDH）纳米片复合材料,并将其用于HER和OER。原位X射线精细吸收光谱和原位拉曼光谱研究表明,Ni3V-LDH表面锚定的Ru单原子对富含悬挂键表面的稳定起着至关重要的作用,其能够阻碍表面重构的发生,而Ni3V-LDH与单原子Ru之间具有强烈的金属载体相互性作用进一步促进单原子催化剂的催化活性和稳定性。原位X射线精细吸收谱的结果表明,在HER过程中,单原子Ru起主要催化作用,而Ni3V-LDH作为共催化剂起到一定的协同作用;在OER过程中,Ni3V-LDH中的Ni起到主要的催化活性作用,而Ru作为共催化剂起协同作用。将Ru/Ni3V-LDH同时作为碱性水分解电解槽的阴极和阳极,其仅需1.63 V的电压就可以达到100 m A cm-2。（4）为了进一步降低电解水的驱动电压,本研究在电解水阳极端引入热力学电压更低的尿素氧化反应（Urea Oxidation Reaction,UOR）来替代OER过程,从而实现超低能耗电解水产氢。本研究采用乙二醇辅助水热法将单原子Rh均匀分散到超薄NiV-LDH纳米片上,并将其同时用于催化HER和UOR。在1 M KOH中,Rh/NiV-LDH表现出优异的HER催化活性,在10 m A cm-2的过电位为12 m V。将Rh/NiV-LDH作为阴极和阳极组装全解尿素电解槽（UOR（+）||HER（-））,其驱动100 m A cm-2时仅需施加电压1.47V,具有较大的竞争优势和较好的应用前景。
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