微纳分级多孔水分解催化材料的制备与研究

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随着化石能源的消耗,氢能作为一种可再生的清洁能源受到广泛关注。电解水制氢是一种无污染、快捷的产氢技术,其技术核心是通过催化剂降低水分解的过电位。但现有的商用Ni基水分解催化剂尚存在稳定性较差、催化活性有待大幅提升等问题,而催化性能良好的Pt,RuO2催化剂又价格昂贵,制约了电解水制氢的大规模商业化推广。鉴于此,本研究尝试使用氢气泡模板法(DHBT)开发高效、稳定的多元合金催化剂。课题首先研究了Ni-Co-Cu三元合金的DHBT制备,探索了镀液配方、沉积工艺和活化工艺对催化剂成分、形貌和催化性能的影响。结果表明采用0.1 M NiSO4+0.1 M CoSO4+0.03 M CuSO4+0.5 M(NH4)2SO4+0.3 M Na3C6H5O7+0.4 M H3BO3配方,在沉积电流密度为-1 A/cm~2,沉积时间为60 s,沉积温度为25℃条件下沉积出的多孔37.52 at%Ni、43.21 at%Co、18.72 at%Cu催化剂具有良好的析氢催化活性,10 m A/cm2下的析氢过电位为74 m V,Tafel斜率为71.7m V/dec。这源于该催化剂高的电化学活性面积、活化在其表面形成的金属-金属氧化物核壳结构及氧化物壳层中Co、Ni和O之间的交互作用。但高电流下析氧催化稳定性较差。通过将该催化剂成分中熵化,在保有较好催化活性的基础上,大幅提高了其催化稳定性。其次,研究了Ni-Co-Fe-Cu四元中熵合金的DHBT制备。通过Na3C6H5O7添加剂,减少了金属离子还原电位差,并在此基础上获得了系列中熵Ni-Co-Fe-Cu多孔涂层。通过镀液配方和沉积工艺的调整,优化出了具有良好析氧催化活性和稳定性的多孔23.10 at%Ni、23.10 at%Co、23.10 at%Fe、23.10at%Cu中熵催化剂。该样品在10 m A/cm2电流密度下,析氧过电位为257 m V,低于贵金属催化剂RuO2(277 m V),Tafel斜率为40.5 m V/dec,在1 M KOH中CV循环1000圈,LSV曲线基本重合,表现出较好的析氧稳定性。最后,研究了四元中熵涂层的磷化,获得了四元中熵磷化物,磷化物相对于磷化前样品,析氢析氧催化活性都有大幅提升。10 m A/cm2的电流密度下,析氢过电位为112 m V,Tafel斜率为92.4 m V/dec,40 m A/cm2的电流密度后析氢性能超过磷化前样品。析氧过电位仅243 m V,Tafel斜率为52.7 m V/dec。催化性能提高与电化学活性面积增大及强电负性P的加入增强了电子脱离合金的能力,降低了H的吸附能的有关。
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