含Ni磷化物/碳纳米复合材料的制备及其电催化性能研究

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随着能源危机和环境污染问题不断加重,开发高效、清洁、可替代的绿色能源具有重要意义。目前,电解水技术已经成为最具发展前景的能源转换技术之一,其反应过程包含析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。这两个反应均需要高活性的催化剂来加速反应动力学以提高节能效率。目前,贵金属基催化剂物被认为是最高效的水分解电催化剂。然而,它们的高成本和低储量严重限制了它们在工业中的大规模应用。因此,开发高性能、低成本的非贵金属催化剂成为催化领域发展的关键。针对上述问题,本文利用高导电的碳材料作为基底,在其表面可控生长两种含Ni磷化物,制备得到具有优异电催化性能的纳米复合材料,并分别作为HER催化剂和OER催化剂进行电解水研究。主要研究内容如下:(1)设计了NixCo1-xP复合还原氧化石墨烯(rGO)电极材料并用作HER催化剂。使用NiCo-MOF-74/GO作为前驱体,通过热处理磷化得到NixCo1-x-x P/rGO纳米复合材料。得益于高导电的rGO作为结构支撑以及过渡金属Ni的成功掺杂,实现了NixCo1-xP/rGO电极材料优异的HER活性。当电流密度达到10 mA·cm-2时,过电位仅181 mV,Tafel斜率为65 mV·dec-1,同时具有良好的稳定性。(2)成功制备出Fe-Ni2P复合掺氮还原氧化石墨烯(NrGO)电极材料并用作OER催化剂。采用NrGO作为基底,利用模板辅助法在其表面可控制备了Fe掺杂Ni2P纳米片。得益于NrGO高导电性与高比表面积,以及材料的分级多孔纳米片结构,增加了催化剂活性位点的数量和电荷转移能力,有效地改善了电催化活性。电化学测试发现,该材料在1.0 M KOH溶液中表现出良好的OER性能。为实现10 mA cm-2的电流密度,仅需269 mV的过电位,Tafel斜率为72 mV·dec-1。与此同时,该样品表现出了良好的稳定性,在连续7小时的电催化反应过程中电流密度仅发生轻微的衰减。
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