【摘 要】
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以化石能源为依托的近现代工业的快速发展,带来了一系列生态环境问题和化石能源危机,迫切需要开发清洁的可再生能源。燃烧热值高且可储存的氢气就是一种很有发展前景的可再生清洁能源载体。目前,制备氢气的方法有很多种,其中电解水制氢是最可能实现大规模商业化应用的。然而电解水制氢依然存在过电位高(即耗能大)的缺点,而电催化剂能够有效的降低过电位。电解水由析氢反应(Hydrogen evolution react
【基金项目】
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国家重点研究发展计划(2018YFB1502004); 国家自然科学基金(21962010);
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以化石能源为依托的近现代工业的快速发展,带来了一系列生态环境问题和化石能源危机,迫切需要开发清洁的可再生能源。燃烧热值高且可储存的氢气就是一种很有发展前景的可再生清洁能源载体。目前,制备氢气的方法有很多种,其中电解水制氢是最可能实现大规模商业化应用的。然而电解水制氢依然存在过电位高(即耗能大)的缺点,而电催化剂能够有效的降低过电位。电解水由析氢反应(Hydrogen evolution reaction,HER)和析氧反应(Oxygen evolution reaction,OER)两个半反应组成。目前性能最好的HER和OER电催化剂都是贵金属基电催化剂,但它们昂贵且稀有,不适合大规模应用。因此,地壳含量丰富且廉价的过渡金属基电催化剂受到了广泛的关注。过渡金属硼化物有着良好的电催化HER和OER活性,而且是潜在的全解水双功能电催化剂。本文采用了一种室温固相反应的方法合成硼化铁、硼化镍和硼化铁镍三种过渡金属硼化物电催化剂,它们都具有良好的电催化HER、OER和全解水活性。论文主要分为以下两个部分:(1)在Ar气氛手套箱中,将硫酸亚铁与硼氢化钠在室温下通过固相反应合成了硼化铁催化剂Fe-B(s),并在600℃下保温1 h得到Fe-B(s)Δ。Fe-B(s)Δ相比于传统的溶液法制得的Fe-B(aq)Δ表现出优良的电催化HER、OER和全解水活性。在1 mol L-1 KOH(含0.05 mol L-1 Na2B4O7)电解质溶液中,在100 m A cm-2的电流密度下,Fe-B(s)Δ的HER和OER过电位分别为303 m V和409 m V。优良的电催化HER性能归因于Fe-B(s)Δ中B含量高于Fe-B(aq)Δ,且Fe-B(s)Δ结晶性高于Fe-B(aq)Δ。Fe-B(s)Δ高的B含量有利于提高催化剂的电催化活性;而Fe-B(s)Δ高的结晶性提高了的电极导电性,从而降低过电位。同时Fe-B(s)Δ有着更高的电化学活性表面积。这些因素使其拥有优良的电催化性能。Fe-B(s)Δ在1.8 V的电压下进行电催化全解水可以稳定运行125 h,这表明其有着优异的电催化稳定性。(2)类似地,将硫酸镍与硼氢化钠在室温下固相反应得到Ni-B催化剂。此外,将硫酸亚铁与硫酸镍溶解形成混合溶液,蒸干后得到前驱体粉体。然后将该前驱体与硼氢化钠用室温固相法制得Fe-Ni-B催化剂。Ni-B和Fe-Ni-B催化剂都有着良好的电催化HER和OER活性。在1 mol L-1 KOH(含0.05 mol L-1Na2B4O7)电解质溶液中,Ni-B在100 m A cm-2的电流密度下,HER过电位为285m V,OER过电位为467 m V;Fe-Ni-B在100 m A cm-2的电流密度下,HER过电位为321 m V,OER过电位为390 m V。Ni-B和Fe-Ni-B催化剂的合成同时说明了这种室温固相法具有一定的普适性,这为过渡金属硼化物电催化剂的大规模制备提供了一种新的策略。
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