论文部分内容阅读
由于在反应中卓越的催化活性和优良的稳定性,铂系金属(Platinum groupmetals,PGMs)被公认为是最好的电化学析氢(hydrogen evolution reaction,HER)催化剂。但是,PGMs在自然界中的储量稀少、市场价格昂贵,这些因素严重制约着PGMs催化剂的推广应用。因此,研究高活性、低贵金属含量的HER催化剂在基础研究和产业应用中都具有重要的价值。通过PGMs与过渡金属之间的合金化在降低贵金属用量的同时,还能够通过不同原子之间的相互作用改变电荷分布,调控表面性能。 近年来,以金属有机框架(metal-organic frameworks,MOFs),作为前驱物或者模板制备电催化纳米材料研究受到了广泛的关注。本论文选择了两种普鲁士蓝类似物—Co3[Co(CN)6]2和Co3[Fe(CN)6]2纳米粒子作为研究对象,向其中引入Pd、Pt、Ir离子得到贵金属掺杂的MOFs。掺杂后的MOFs在惰性气氛中焙烧,原位生成了N掺杂类石墨烯包覆合金的纳米复合材料。研究证实,这些复合纳米粒子在电催化HER反应中不仅有突出的催化性能,而且显示出良好的活性稳定性。研究的具体内容如下: 1.以钯掺杂Co3[Co(CN)6]2纳米粒子前驱物在惰性气氛中焙烧,一步法制备出N掺杂的多层石墨烯包覆钯钴合金纳米材料。所得到的复合纳米材料在酸性溶液中显示出优良的催化性能:当过电位为80 mV时,电流密度达即可到10mAcm-2;塔菲尔斜率为31mVdec-1。催化剂在CV循环(10000次)或i-t(40000s)测试中活性不衰减。对比不同掺杂量前驱物退火产物的HER性能,发现催化活性在一定范围内随着贵金属掺杂量的增加而提升。 2.采用水热法制备了铱掺杂Co3[Co(CN)6]2纳米粒子,该纳米粒子在N2中热解生成产物为N掺杂的多层石墨烯包裹铱钴合金纳米粒子。在酸性溶液中电流密度在10 mA cm-2时的过电势与塔菲尔斜率都接近20% Pt/C(分别为45 mV和32.4 mV dec-1)。该复合材料的性能超过目前文献报道中铱催化剂的性能,催化剂可持续催化反应40000秒活性无明显衰减。 3.在水热体系中制备了铂的掺杂Co3[Fe(CN)6]2纳米粒子,该粒子在N2中煅烧后生成了内核为三元Pt、Co、Fe合金,外层为N掺杂的多层石墨烯复合结构纳米材料。测试发现合金中Pt含量仅为4.6%,但是其催化活性(10 mA cm-2时的过电位为45mV,塔菲尔斜率为32.4 mV dec-1)接近20% Pt/C(10 mA cm-2时的过电位为31 mV,塔菲尔斜率为30 mV dec-1),远超相同铂含量的铂碳材料(5% Pt/C,10 mA cm-2时的过电位为75mV)。根据理论计算和结构表征揭示催化剂卓越的催化活性是由于贵金属的引入调控了催化剂表面的电荷分布,优化了纳米粒子表面的吸附能,进一步提升材料的催化性能。另外,在石墨烯壳层的保护下纳米粒子在稳定性测试中持续工作17小时催化剂活性无减弱。