【摘 要】
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氢气作为一种绿色环保的新能源拥有十分诱人的应用前景。电解水制氢由于其方法简单、机理明确、成本低廉等被认为是最具开发前景的技术手段。降低电解水过程中的能耗一直是科研人员追求的目标。根据研究,电解水反应分为阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)。其中OER反应中电子转移过程复杂并且受到中间体吸脱附结合能制约,导致该反应通常需要高的电位。而析氢反应受到贵金属催化剂成本限制无法大规模应用。因此,有
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氢气作为一种绿色环保的新能源拥有十分诱人的应用前景。电解水制氢由于其方法简单、机理明确、成本低廉等被认为是最具开发前景的技术手段。降低电解水过程中的能耗一直是科研人员追求的目标。根据研究,电解水反应分为阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)。其中OER反应中电子转移过程复杂并且受到中间体吸脱附结合能制约,导致该反应通常需要高的电位。而析氢反应受到贵金属催化剂成本限制无法大规模应用。因此,有必要进一步探索低成本高活性的水分解催化剂材料。近年来,科研人员已经开发了许多过渡金属基析氢/析氧催化剂,这些催化剂都表现出了较为优异的催化性能。但是由于金属催化剂在制备过程中存在团聚效应导致催化性能下降,因此将活性炭作为金属催化剂载体,不仅能够有效改善催化剂分散情况,同时活性炭的良好导电性和杂原子掺杂对电催化过程同样存在促进作用。本文分别讨论了活性炭负载FeNi合金催化剂的制备和OER性能以及多相镍基化合物催化剂的HER性能。聚合物热解制备的活性炭(AC)作为FeNi合金的载体能够有效提升催化剂的OER活性。利用XRD、XPS和TEM等手段深入分析了催化剂的表面特征,相较于一元金属(Fe或Ni)催化剂,二元合金催化剂表现出与贵金属催化剂(Ir O2)相当的低过电位(η10=280 m V),同时FeNi@AC拥有0.019 s-1的高转换频率。最终表明活性炭负载合金催化剂是开发低成本、高效环保的OER催化剂的有效途径之一。通过在氮气中热解聚合物在活性炭载体上诱导形成多相镍催化剂。实验结果表明,碱性溶液中制备的样品(II-Ni@AC和III-Ni@AC)SBET远大于中性体系得到的样品(I-Ni@AC)。热解后将样品置于强碱溶液中,能够有效提升活性炭载体的中孔比例。在后处理过程中,观察到金属镍周围形成了Ni(OH)2和NiO外壁,诱导金属镍颗粒聚集形成六边形纳米片。HER反应在10 m A cm–2电流密度下的过电位为152 m V,Tafel斜率为141.3 m V dec-1,优于大多数碳基过渡金属催化剂。
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