碲化镍的改性及电催化析氢性能研究

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当前,能源短缺、环境污染以及温室效应等问题日益严峻,因此科学界掀起了一场研究氢能作为未来理想能源的浪潮。电解水制氢技术,由于原料为水,廉价易得,且制备工艺简单,有望成为绿色可持续产氢的主要方法。电解水制氢由于需要消耗大量的电能,因此需要使用催化剂来降低能耗。迄今为止,地球储量较小的贵金属Pt的电催化析氢性能最好,但价格昂贵,不利于大规模的开发应用。过渡金属硫属化合物以其低廉的价格和较好的电解水析氢性能受到了人们的广泛关注。镍因其储量大,催化活性高,被认为是最有前途的催化元素之一。硫属化合物中,与硫化物和硒化物相比,碲化物表现出更多的金属特性,更利于电催化中的电子转移。又由于碲元素电负性较小,形成Te-H键的强度(238 kJ mol-1)较同族元素较低,更有利于电解水析氢反应中H原子的脱附。目前,提高材料电催化析氢性能的方法主要有增加活性位点数、提高材料导电率、优化催化位点活性等。本论文制备了NiTe2纳米材料并利用掺杂、离子辐照及复合g-C3N4等手段对其进行性能调控,通过对其电催化析氢性能的研究,探讨了改性手段调控性能的原因,主要内容如下:1.利用水热法制备NiTe2纳米棒,进行硒掺杂改性并对其电催化析氢性能进行研究。通过调控反应物中硒的比例来优化NiTe2的析氢性能。当硒的摩尔添加量为12%时,所得的Se12%-NiTe2样品具有最优的催化析氢活性,当电流密度为200 mA cm-2时具有514 mV的过电位(相对于可逆氢电极)、38 mV dec-1的Tafel斜率以及良好的稳定性。硒掺杂不仅能够降低NiTe2的氢吸附吉布斯自由能,同时还引入了活性更高的硒位点。此外,硒掺杂增加了材料的电化学表面积,降低了电荷转移电阻,因此提高了NiTe2的催化性能。2.将第一部分制得的NiTe2纳米棒涂覆到经过盐酸处理的钛板上,利用离子辐照策略提升NiTe2的电催化析氢性能。经过Fe10+辐照(剂量为4×1014 ions cm-2)后,在0.5 M H2SO4溶液中,Fe-NiTe2/Ti电极在电流密度为100 mA cm-2时具有557mV的过电位(相对于可逆氢电极)、61 mV dec-1的Tafel斜率以及良好的稳定性。Fe10+辐照使NiTe2纳米棒产生缺陷和相界面,从而暴露出更多的活性位,同时引入的Fe离子会改变周围NiTe2的电子结构,进而影响材料的电催化析氢性能。3.NiTe2/g-C3N4复合材料的制备及电催化析氢性能研究。利用三聚氰胺热解制备石墨相氮化碳(g-C3N4),通过超声剥离和冷冻干燥处理后得到片状的g-C3N4,然后和NiTe2纳米棒超声混合处理,获得了具有高比表面积的三维NiTe2/g-C3N4复合材料,并对其电催化析氢性能进行了测试。g-C3N4可以提高材料的电导率,从而保证其催化过程中电荷的快速传输,NiTe2/g-C3N4 3D结构暴露了更多活性位点于电解质中,加快了电解质中的H+吸附到活性位点以及形成的气泡从其表面快速释放的速度。在0.5 M H2SO4溶液中,NiTe2/g-C3N4电极在电流密度为200 mA cm-2时具有648 mV的过电位(相对于可逆氢电极)、68 mV dec-1的Tafel斜率。
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