介孔磷化铁电解水催化剂的制备及其析氢性能研究

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在化石能源逐渐枯竭的当下,寻找高效、可持续利用的清洁能源成为当今的研究重点。其中,氢能具有重量能量密度大、生成物无污染、可再生的优点,是一种理想的清洁能源。在多种制氢方法中,电解水制氢法符合能源再生和降低环境污染的要求,是一种清洁、高效的可持续制氢方法。在电解水过程中,催化剂的使用可降低水分子分解所需的过电位,从而降低能耗。目前,Pt族金属具有催化活性高、析氢过电位小的优点,是目前最理想的电解水催化剂。但是,储量少、成本高,不适合大规模生产应用。因此,开发廉价、高效和可持续的催化剂材料对电解水制氢技术的大规模应用具有重要意义。在多种催化剂材料中,过渡金属磷化物具有高电导率、高催化活性、价格低廉等优点,成为非贵金属电解水催化剂中的典型代表。在过渡金属磷化物中引入多孔结构有助于催化过程中活性位点的暴露和物质的传输。在各种多孔结构中,介孔结构具有比表面积大、孔隙率高等优点,可满足上述要求。考虑到在各种过渡金属中,铁的储量最为丰富且价格低廉,本文以磷化铁为催化活性物质,通过不同的合成方法,成功制备了两种不同结构的介孔磷化铁自支撑电极,并对其电解水催化性能进行了研究。首先,我们采用溶胶-凝胶法和低温磷化法在碳布基底上成功构造了介孔磷化铁自支撑电极(meso-FeP/CC)。所制得的meso-FeP/CC具有均匀的介孔结构,平均孔径大小约为5.5 nm,比表面积高达74.1 m-22 g-1。其高比表面积的介孔结构有助于活性位点的暴露,电化学活性表面积高达183 mF cm-1,从而提升其电解水催化性能。此外,构成自支撑结构的碳布导电基底有助于电催化反应过程中的电子传输。因此,meso-FeP/CC在酸性条件(0.5 M H2SO4)下表现出优异的析氢催化性能:当电流密度达到10 mA cm-2和50 mA cm-2时,所需的过电位仅为88 mV和159 mV,Tafel斜率仅为51 mV dec-1。为了进一步优化磷化铁的介孔结构,提升其催化活性和稳定性,我们采用溶剂挥发诱导自组装和低温磷化法相结合,成功合成有序介孔磷化铁自支撑电极(ordered meso-FeP/CC)。所制得的介孔膜较薄,厚度仅为50 nm,与碳布的相互作用较强,获得了较为均匀且稳定的介孔结构。此外,与纳米颗粒堆积的介孔结构相比,通过自组装法形成的介孔结构所暴露的活性位点更多,由于其特殊的介孔结构,其活性位点数可到2.32×10177 sites mg-1,更有利于催化反应的进行和物质的传输。因此,ordered meso-FeP/CC在酸性条件下(0.5 M H2SO4)表现出十分优异的析氢催化活性:当电流密度达到10 mA cm-2和50 mA cm-2时,所需的过电位仅为65 mV和107 mV,Tafel斜率仅为44 mV dec-1。与现有的电解水催化剂相比,其析氢催化活性处于较高水平。且在20 h的长期稳定性测试下,可保持90.8%的催化活性。
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