论文部分内容阅读
为了解决能源消耗的快速增长带来的问题,如化石燃料的消耗以及石油过度开采,并缓解相关的环境污染问题,研究可再生和清洁能源引起人们广泛的关注。在这些可再生清洁能源中,氢能具有成本低(仅用水作为原料)、排放温室气体少、纯度高(没有任何其他产品)和生产效率高等优点,或许可以替代传统化石燃料,满足世界对清洁能源的需求。电催化水分解是产生氢气(H2)的高效方法。电解水分为两个半反应,析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction(HER),2H+(aq)+2e-→H2(g))和析氧反应(Oxygen Evolution Reaction(OER),2H2O(l)→4e-+4H+(aq)+O2(g))。但是,由于HER和OER过程中过电位的限制,导致电催化水分解的效率还很低,因此发展高效水分解催化剂是十分必要的。目前,贵金属及其氧化物(如Pt、IrO2和RuO2等)对HER或OER具有良好的催化活性,但是贵金属较低的储备量和昂贵的价格限制其广泛的应用。探索以非贵金属催化剂替代贵金属催化剂将成为解决问题的重要方法之一。过渡金属磷化物和硒化物具有易于吸附氢离子形成H2,并且H2易从催化剂表面脱附,从而表现出良好的电催化HER的性能。另外,金属表面形成的金属氧/金属氢氧键产生的异电子结构可同时高效的催化OER。但是,过渡金属磷化物和过渡金属硒化物的电子传输能力相对于一些碳材料和金属材料较差,导致其低的催化性能。因此,提升过渡金属磷化物和过渡金属硒化物的导电性,可进一步提高其催化活性。在本论文中,我们采用简单、环保的方法分别合成了泡沫镍(NF)负载的氮掺杂碳层(NC)包裹磷化钴镍纳米片(Co0.5Ni0.5P/NC/NF)和NC包裹硒化钴镍(CoNiSe/NC)复合材料,并对它们催化水分解的性能展开了详细的研究。研究内容主要包括以下两个方面:(1)通过水热法和高温煅烧法成功合成了Co0.5Ni0.5P/NC/NF复合材料。同时,合成了含有不同钴镍质量比例(3:0,2:1,1:1,1:2,0:3)的样品作为对比,以优化其电催化性能。表征结果证实,在导电性较好的泡沫镍表面合成Co0.5Ni0.5P(1:1)纳米片,提高了Co0.5Ni0.5P的电子传输能力,且泡沫镍丰富的孔道结构有利于H2和O2的及时释放,提升了催化剂的稳定性。在1.0 M KOH电解液中,催化HER与OER电流密度达到10 mA cm-2时,所用过电位分别为90与230 mV(vs.可逆氢电极,RHE)。进行全水分解时,仅用1.49 V vs.RHE电位就可使电流密度达到20 mA cm-2,有很大的水分解的应用潜力。(2)通过水热法和高温煅烧法合成了CoNiSe/NC-x复合材料。合成含有不同钴镍质量比例的样品(3:0,2:1,1:1,1:2,0:3)来研究镍掺杂对催化性能的影响;合成有/无氮掺杂碳层包裹的样品来研究导电性对催化性能的影响。实验结果表明,硒化钴(CoSe)虽然表现出较好的HER和OER活性,但是在电解过程中,电子传输能力较差且很容易被氧化。引入适当含量的镍元素可以提高其电子传输能力,碳层的包裹也可以防止催化剂的氧化从而提高其稳定性。在1.0 M KOH电解液中,CoNiSe/NC-3(1:1)催化HER与OER电流密度达到10 mA cm-2时,所用过电位分别为100 mV与270 mV vs.RHE。全水分解时,仅用1.65 V vs.RHE电压就可使电流密度达到20 mA cm-2,或许可以成为广泛应用的催化剂。