论文部分内容阅读
通过电化学水解反应来生产氢气和氧气是许多清洁能源技术的一个重要组成部分。电催化水解反应是由析氢反应(Hydrogen evolution reaction，HER)和析氧反应(Oxygen evolution reaction，OER)组成的。铂族贵金属是目前已知最高效的析氢电催化剂，而铱/钌及其相应的氧化物是最高效的析氧电催化剂，但是这类催化剂由于地球储量稀少而不适用于大规模的实际生产。因而探索催化活性高，地球储量丰富的电催化剂对于实现大规模的电化学水解具有非常重要的意义。目前，对于许多二元过渡金属硫族化合物(Transition metal dichalcogenides，TMD)催化性能的研究表明，过渡金属硫族化合物是一种非常高效的析氢电催化剂。其中，钴基的TMD由于具有金属特性，导电性高，可促进析氢反应过程的进行，使得这种二元材料如二硫化钴(CoS2)和二硒化钴(CoSe2)显示出优异的HER性能。最近，相关研究表明，三元材料由于不同原子的掺入增加了电催化剂的活性位点，与二元材料相比，表现出了更高的电催化析氢活性。基于以上两点，我们预测三元钴基材料将会是一种非常优异的电催化剂。 本课题以三元的钴基材料为主要研究对象，通过两步法（水热法和CVD）成功地在碳纤维（Carbon fiber，CF）上生长了组分可控的三元CoS2xSe2(1-x)和CoP2xSe2(1-x)纳米线(NWs)，我们进一步对这两种三元材料进行了电催化水解反应性能的研究。主要研究结果总结如下: (1)三元硫硒化钴纳米线阵列的可控制备及其电催化析氢性能的研究 通过水热法在柔性导电的CF上成功生长了CoO纳米线，然后通过CVD法合成了组分可控的CoS2xSe2(1-x)纳米线，其中CoS2xSe2(1-x)NW的组分是通过改变S和Se粉末的摩尔比来控制的。我们进一步在酸性溶液中对CoS2xSe2(1-x)NW进行了电催化析氢性能的研究。三元CoS2xSe2(1-x)NW可以在129.5mV的过电位下实现10mA/cm2的电流密度，析氢性能要明显优于相应的二元材料。 (2)三元磷硒化钴纳米线阵列的可控制备及其电解水性能的研究 首先采用水热法在柔性导电的CF上成功生长了Co(OH)2纳米线，然后通过调整CVD过程中P和Se粉末的摩尔比，我们可以在CF上组分可控地合成三元CoP2xSe2(1-x)NW阵列。我们对三元CoP2xSe2(1-x）NW的电催化析氢性能进行了研究，研究表明在酸性和碱性溶液中三元CoP2xSe2(1-x）NW均表现出优异的HER性能，分别在70mV和98mV的过电位下达到10mA/cm2的电催化电流密度。我们进一步使用CoP2xSe2(1-x)NW作为阴极和Co(OH)2NW作为阳极进行了电催化水解反应，该反应在外加1.65V的电压下，实现了10mA/cm2的水分解电流密度。 综上，三元钴基材料可以通过两步法组分可控地合成，并且表现出了优异的电催化水解性能和良好稳定性。三元钻基材料是一种非常有希望用于大规模电解水反应的催化剂。