【摘 要】
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煤炭、石油、天然气等化石能源的大量消耗引发了全球能源危机和环境危机,可再生资源的开发利用越来越迫切。而氢能被视为一种清洁能源,目前氢气的大规模生产主要通过几种工业方法来实现,比如煤气化、石油裂解和低温蒸馏等,但这些方法大大增加了生产氢气的成本。其中电催化水解技术由于具备工艺简单、无污染和氢气产品纯度高等优势引起了广泛的研究。但在电解水的过程中,缓慢的电极反应动力学和较高的过电位降低了制氢效率。为了
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煤炭、石油、天然气等化石能源的大量消耗引发了全球能源危机和环境危机,可再生资源的开发利用越来越迫切。而氢能被视为一种清洁能源,目前氢气的大规模生产主要通过几种工业方法来实现,比如煤气化、石油裂解和低温蒸馏等,但这些方法大大增加了生产氢气的成本。其中电催化水解技术由于具备工艺简单、无污染和氢气产品纯度高等优势引起了广泛的研究。但在电解水的过程中,缓慢的电极反应动力学和较高的过电位降低了制氢效率。为了加快反应动力学,开发具有低成本、高效和稳定的催化剂是至关重要的。在酸性介质中,贵金属铂由于其吉布斯自由能(（?）GH*)接近于0,是公认的最好的电催化剂。但是其储量短缺,成本高等问题严重限制了它的应用。近年来,一种新型二维材料MXene因其高的比表面积、良好的化学稳定性、优良的导电性和丰富的表面官能团成为电催化研究的热点,而且MXene可以与铂之间有强烈的相互作用。本论文通过两种方法构建了用于低铂负载的载体,分别是将MXene材料与导电聚合物复合和与带正电荷的三聚氰胺静电自组装成三维结构。这将有利于解决贵金属的使用问题。具体研究内容如下:（1）与其它二维材料相比,MXene材料表面的官能团不仅可以提高材料的亲水性,还可以提供丰富的催化活性位点,本论文首先通过使用HCl和Li F刻蚀方法获得二维Ti3C2Tx MXene材料。该方法避免了相对危险的氢氟酸,而且这种制备方法得到了大横向尺寸的单层或少层MXene纳米片,通过一系列表征证明了该材料的成功合成。然后用化学合成法先制备出二维MXene材料和聚吡咯纳米线（Polypyrrole nanowires,PPy-NWs）材料复合后的载体,后用电化学沉积法在其表面沉积了铂（Pt）纳米颗粒,从而获得三种不同维度的复合结构的催化剂,即零维（Zero-dimension,0D）Pt纳米颗粒、一维（One-dimension,1D）PPy纳米线和二维（Two-dimension,2D）MXene纳米片,PPy和MXene的复合提高了催化载体的导电性,并提供了更多的催化活性位点。当电流密度为10 m A cm?2时,这种低Pt负载(17.11μg mg-1)的电催化剂的过电位为40 m V,非常接近商业20 wt%Pt/C的过电位（41 m V）。制备的催化剂在100 m V的过电压下具有高的转换频率(TOF,2.21 H2 s?1)和相对较好的稳定性。本研究为其它MXene基电催化剂和更多导电聚合的设计和研究提供了方向。（2）利用制备的MXene表面官能团带负电的特性,将三聚氰胺简单处理使其表面带正电荷,然后将其与MXene静电自组装变成了3D褶皱形貌。然后采用简单的高温煅烧的方法合成了氮（N）掺杂MXene的载体并在表面负载原子级和纳米级的Pt,其中Pt的负载量仅为1.7 wt%。在复合材料中,N原子的给电子性质提高了材料的导电性,同时形成的褶皱形貌提供了更多的活性位点。在电流密度为10 m A cm?2时,催化剂的过电位为63 m V,在η=200 m V时,转换频率和质量活性分别为3.56 H2 s?1和3.52 A mg Pt?1,远高于20 wt%Pt/C(0.25 H2 s?1,0.25 A mg Pt?1)。另外,通过煅烧的方法得到的催化剂具有极高的稳定性,可以持续析氢大约90 h。
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