基于类普鲁士蓝化合物前驱体制备镍铁硒化物及其电催化分解水性能研究

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由于化石燃料面临枯竭,能源危机已成为人类可持续发展最严重的威胁之一,可再生能源的开发和利用已迫在眉睫。氢能作为一种可再生能源,具有能量密度高、使用过程无污染等特性,是一种潜在的化石燃料替代品。其中,电解水制氢具有可用性、灵活性和纯度高等优点,但要实现广泛应用,还需要设计高效、低成本和长寿命的电催化剂来促进电解水过程中阴极和阳极的电化学反应。通常,设计高活性的电催化剂常用的策略包括提高比表面积、离子掺杂、构建杂化结构等。而金属有机框架(Metal-organic Frameworks,MOF)由于其多孔结构、丰富的活性位点和可调的化学成分成为目前研究的热点之一。普鲁士蓝作为低成本的MOF材料更是获得了研究者们极大的关注。基于上述考虑,本文采用简单电沉积工艺在碳纤维纸(Carbon fiber paper,CFP)上分别制备出了二元NiFe和三元NiCoFe类普鲁士蓝(Prussian blue analogue,PBA)前驱体,进一步通过气相硒化反应得到相应的金属硒化物一体化催化电极,并对其在碱性溶液中电解水性能进行了系统表征。本文的主要研究内容与结论如下:(1)在含有Ni2+和[Fe(CN)6]3-离子的电解液中,通过循环伏安法在CFP上均匀沉积出具有立方结构的NiFe PBA前驱体纳米粒子。然后进行气相硒化反应,通过调节硒化温度、硒粉载荷量等参数得到含有介孔的立方形貌NiFe-Se纳米颗粒催化剂。在1MKOH溶液中,相比于前驱体NiFe PBA/CFP和单金属硒化物FeSe2/CFP,NiFe-Se/CFP具有更高的催化活性。仅需214mV的析氢和281mV的析氧过电位就可以驱动10mAcm-2的电流密度,对应的Tafel斜率分别为51.63mVdec-1和40.93mVdec-1。在双电极体系中,NiFe-Se/CFP驱动10mAcm-2电流密度仅需1.55 V。同时,NiFe-Se/CFP在碱性溶液中具有良好的稳定性。其优异的电催化活性归因于Ni和Fe的协同效应以及较大的电化学活性面积,从而增强电催化剂的活性。(2)在上述Ni、Fe体系中加入Co2+,以三元NiCoFe PBA/CFP为前驱体进行气相硒化反应,制备出NiCoFe-Se/CFP纳米颗粒催化剂。在1MKOH溶液中,通过对比单金属和双金属硒化物的催化性能,发现NiCoFe-Se/CFP具有更高的电催化活性,仅需154mV的析氢和221mV的析氧过电位即可驱动10mAcm-2的电流密度,Tafel斜率分别低至45.25mVdec-1和39.88mVdec-1。作为双功能电催化剂时,仅需1.518V即可达到10mAcm-2的电流密度。相比二元金属类普鲁士蓝前驱体,三元金属类普鲁士蓝前驱体硒化后获得的三相混杂催化剂具有更高的电催化活性,这主要可以归因于Ni-Co-Fe硒化物之间的协同效应。
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