氮化钼基纳米材料结构调控及电化学性能研究

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人类的发展离不开能源燃料的使用,然而由于化石燃料的过度消耗,使得全球变暖,环境污染和能源安全等问题日益严重。氢气(H2),由于其具有较高的重量能量密度,能量转换过程中零污染,引起了广泛的关注,并有望成为传统化石燃料的替代物。为了更加高效、安全地利用氢能等其他新能源,先进的能源存储与转化装置,如燃料电池、全解水装置、锂电池和金属-空气电池等的研发也是至关重要的。因此,为降低电化学能量储存和转换装置的复杂性和成本,实现节能高效和可持续发展,我们迫切需要一种高效的多功能电催化剂。氮化钼(MoN)因具有耐腐蚀性、低电阻性和电催化活性,在新能源领域表现出较高的应用价值,研究表明金属掺杂对其电化学性能有很大影响。因此,本论文通过Ⅷ族金属(钴和镍)掺杂调控合成出两种氮化钼基材料,并系统研究了其电化学性能。主要的研究内容如下:(1)通过溶剂热和氨化法,制得多孔的Co掺杂MoN微米球(Co-MoN)。近边测试证明Co掺杂到MoN晶格中Mo的位置上,得到纯Co-MoN物相。理论计算证明Co掺杂后,Co-MoN电子特性得到调整,氢吸附自由能降低和导电性增加,均利于改善电化学性能。通过电化学性能测试,发现制得的Co-MoN催化剂在析氢反应(HER)和氧还原反应(ORR)中均表现出高活性和稳定性。而Co作为产氧反应(OER)的活性中心,使得Co-MoN也具备了高效的OER性能。因此,Co-MoN展示出优异的多功能性。此外,成功地制备了以Co-MoN为电极的全解水装置和可再充电的锌-空气电池,并实现了锌-空气电池自驱动二极管发光和全解水。(2)通过溶剂热法,得到形貌较均匀且尺寸较小的Ni-Mo前驱体。氨化得到目标产物:Ni0.2Mo0.8N(Ni-MoN)。通过电化学测试,发现制得的Ni-MoN催化剂在HER,OER中均表现出优异的活性和稳定性。
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