【摘 要】
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用热力学有利的水合肼氧化反应（HzOR）替代动力学迟缓的阳极析氧反应（OER）是降低电解水制氢能耗的一种行之有效的方法。同时,水合肼作为精细化工的主要原料,用电化学水合肼氧化耦合制氢,不仅可以实现工业级电流密度下的超低能耗制氢,还可以为工业废肼的处理提供有效思路。然而,尽管在实验室规模的催化剂设计已进行了大量的研究并取得了一些关键性的突破,但改善后的水电解槽的性能仍不能满足当今工业发展的迫切需要。
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用热力学有利的水合肼氧化反应（HzOR）替代动力学迟缓的阳极析氧反应（OER）是降低电解水制氢能耗的一种行之有效的方法。同时,水合肼作为精细化工的主要原料,用电化学水合肼氧化耦合制氢,不仅可以实现工业级电流密度下的超低能耗制氢,还可以为工业废肼的处理提供有效思路。然而,尽管在实验室规模的催化剂设计已进行了大量的研究并取得了一些关键性的突破,但改善后的水电解槽的性能仍不能满足当今工业发展的迫切需要。因此,进一步开发和设计高效的多功能催化剂,并深入挖掘其在能源转换器件中的可行性是当前面临的巨大挑战。本论文围绕着发展能够在多相反应中展现出优异活性的多功能催化剂的核心问题,通过构建复合杂化结构,贵金属掺杂等策略在改善电化学性能的同时,实现多功能催化位点的集成。密度泛函理论的计算模拟也为多功能电催化剂在多相电化学过程中复杂的机理发挥指导作用,以便于深入讨论多功能催化剂新颖的设计策略和对结构-活性-应用的相关性,期望能为高活性的杂化电解水催化剂及相关器件设计提供一些参考。具体内容如下:（1）在第二章中,我们合理设计了一种低Pt负载量（5.90%）的泡芙状复合杂化结构,其由有序的金属间化合物CoPt3和CoPt两种纳米粒子组成,并负载在N掺杂碳骨架上。该催化剂在碱性条件下对水合肼氧化反应（HzOR）、氧还原反应（ORR）和析氢反应（HER）均表现出了优异的多功能催化活性。催化HzOR和HER的反应过程中,在10 mA cm-2的电流密度下分别需要341 mV和20 mV的超小过电位;同时催化ORR的过程中,展现出0.847 V的超高的半波电位。理论计算表明,金属-碳杂化结构可以调节动力学行为,诱导界面电子再分布,最终实现多电催化的高活性表现。此外,采用直接水合肼燃料电池为动力源,利用该催化剂驱动水合肼整体裂解（OHzS）,验证了其可持续生产氢气的可行性。（2）在第三章中,我们展示了水合肼与海水电解技术的结合,期望实现了零排放和节能的目标。精细合成的Ru改性Ni（OH）2的催化剂材料可以在两电极系统中稳定运行,并在平均电压0.803 V下,连续200 h维持500 mAcm-2的大电流密度。同时,我们进一步设计了流动电解槽,使其在1000 mAcm-2的工业级电流密度下连续生产H2,并具有创纪录的低驱动电压1.051 V,极大地降低了成本。密度泛函理论（DFT）计算表明,Ru-Ni（OH）2的d带中心的升级提高了反键能态,从而增强了吸附物与催化剂之间的相互作用。
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