四硫化钒纳米结构的可控合成与析氢性能研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:popopan22
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过渡金属硫化合物具有独特的电子结构、较高电催化活性和良好的化学稳定性等特点,被认为是具有较好应用前景的电解水析氢催化剂。层状结构VS2是一种优异的析氢电催化剂,具有较好的氢吸附吉布斯自由能、良好的电导率和优异的热稳定性。VS4(V(S22-)2)作为另一类含钒硫化物,具有独特的一维链状结构,链间距大(0.583 nm)、硫含量高、带隙约为0.8 e V,目前主要用于储能器件,包括钠/锂离子电池、锂硫电池等。VS4作为电催化剂在电解水方面的报道非常有限,主要原因是VS4呈现半导体性和催化活性较低。本论文,我们设计和制备了VS4纳米结构作为先进析氢催化剂,通过引入硫空位、氧掺杂和还原性氧化石墨烯(rGO)复合等手段来提高VS4纳米结构的析氢性能。主要的研究成果有:(1)采用一种简单的一锅法合成了富含S空位和O掺杂的VS4微球。一方面,O掺杂和S空位可以减小VS4的带隙,提高材料电导率,有利于析氢过程中电子快速传输。另一方面,O掺杂和S空位提供了丰富的缺陷作为活性位点,提高析氢反应催化活性。由于缺陷工程和电子效益的协同作用,VS4微球是一种优于具有层状结构的1T-VS2微花的HER催化剂。VS4微球催化剂表现出显著的动力学指标,具有的较小的起始电位(η0=15 mV),较小过电位(η10=48 mV),较小的Tafel斜率(b=44 mV dec-1)和良好的运行稳定性(75 h)。(2)在氧化石墨烯(GO)纳米片表面原位生长VS4纳米棒制备VS4/rGO复合材料,VS4纳米棒的含量可调控。二维rGO纳米片不仅可以抑制VS4纳米棒的聚集,还作为导电骨架提高材料的电子电导率、促进电子快速传输。与纯VS4纳米球相比,VS4/rGO复合材料具有较大的电化学活性表面积,表明活性位点数量显著提高。优化的VS4/rGO(2:1)复合材料具有最小的Tafel斜率(b=42 mV dec-1),最低的过电位(η10=37 mV)和优异的稳定性(70 h)。
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