【摘 要】
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当今社会对能量的依存度逐年升高,化石能源提供能量的同时随之带来的环境与能源危机日趋恶劣,洁净燃料的应用已迫在眉睫。而氢气（H2）因其燃烧热值较高、洁净无污染、使用形式多样、稳定性好等优势,引起了人们的普遍重视。电解水制氢是最为绿色的获取氢能的途径之一。水的电解涉及两个重要的半反应,阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）。众所周知,以贵金属为代表的催化剂（如对于HER的Pt和OER的Ru O
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当今社会对能量的依存度逐年升高,化石能源提供能量的同时随之带来的环境与能源危机日趋恶劣,洁净燃料的应用已迫在眉睫。而氢气（H2）因其燃烧热值较高、洁净无污染、使用形式多样、稳定性好等优势,引起了人们的普遍重视。电解水制氢是最为绿色的获取氢能的途径之一。水的电解涉及两个重要的半反应,阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）。众所周知,以贵金属为代表的催化剂（如对于HER的Pt和OER的Ru O2/Ir O2等）可以大幅降低反应的过电位,但由于其地球储量丰度低和价格昂贵,极大地制约了其大规模的应用。因催化剂在酸性电解质中易腐蚀,所以在目前工业应用的主要为碱性电解水制氢技术。但在碱性电解质中HER动力学缓慢,极大限制了碱性电解水的发展。因此,合理地设计碱性介质中高效的HER催化剂至关重要。本论文致力于构建镍钒基多组分异质结复合材料,可有效控制异质结催化剂的微观形貌、物相组成和电子结构,提高催化剂在碱性介质中的电解水催化性能,结合DFT理论计算,为高效稳定的碱性析氢、析氧催化剂的开发和制备,提供强有力的支撑。本论文的研究内容如下:（1）第三章中使用水热法与高温掺氮结合的方式,使Ni-VN微米片原位地生长于泡沫镍基底上。该一体化阴极电极的三维联通结构和Ni-VN异质材料独特的界面效应,使得Ni-VN/NF电极呈现出更高效的HER催化活性。而且,通过这种方法所制备的Ni-VN/NF催化剂,在仅为39 m V的过电势下,即可获得10 m A cm-2的电流密度,同时在10 m A cm-2的电流密度下,经过100 h老化后活性基本没有衰减。通过控制金属的不同比例和氮化温度,实现对异质结界面处活性位点数量的调控。XPS结果显示最佳催化剂的Ni和VV-N含量比例越均衡,Ni-VN界面位点的含量越高。DFT理论计算结果表明,形成的Ni-VN异质结构,改变了金属Ni的d带中心,并调节了催化剂表面对水分子和反应中间体的吸附能垒,加速HER进行。（2）第四章利用水热法结合NH3氮化和次亚磷酸钠磷化的方法制备得到了Ni2P-VN的纳米复合材料。利用水热法合成的Ni（OH）2前驱体在一定温度下进行掺氮反应及进一步原位磷化后得到Ni2P-VN异质结催化剂。使用该催化剂催化碱性电解水,在电流密度为10 m A cm-2时,其HER过电位为133 m V,其OER过电势约为281 m V。而在电解水的阴极和阳极均采用Ni2P-VN双功能催化剂的条件下,当工作电压为1.57 V时就能够获得10 m A cm-2的电流密度,同时在此电流密度下老化50 h后催化剂活性仍能够维持相对稳定,展现出良好的电解水性能。
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