过渡金属硫化物/泡沫镍复合材料电解水的研究

摘要

氢能被认为是二十一世纪最具潜力的传统能源替代者之一。它可以由电能、太阳能等通过电解水的方式获得，是一种燃烧值高、零CO2排放、无污染的储能材料。电解水制氢是把电能转化为氢能的一种有效途径。然而，电催化分解水的阳极催化氧析出反应涉及四电子反应过程和阴极催化氢析出反应涉及二电子反应过程，动力学缓慢。这些障碍需要提供较大的电压来克服，导致电能的消耗大，能源浪费严重，生产成本高。催化剂可以有效降低催化电解水所需的电压，提高催化效率。目前，基于Pt-、Ru-、Ir-等贵金属催化剂被认为是最高效的催化电解水催化剂。可是，它们在地球上的含量稀少、价格昂贵，限制了它们在工业上的大范围应用。所以，寻找在地球上含量丰富、价格便宜又性能高效的催化剂来代替贵金属催化剂已迫在眉睫。 本文以对过渡金属硫化物的研究为主线，以金属泡沫镍为基底，运用简单低温的水热法合成了CoNi2S4/Ni、Ni3S2/Ni和Ni(OH)2/3D-3D Ni3S2/NF等催化剂。研究表明，这些材料都具有良好的催化电解水性能，具体如下： (1)运用低温的两步水热法，先合成CoNi水滑石，再用硫代乙酰胺作为硫源，转化为CoNi2S4(CoNi2S4/Ni)。CoNi2S4/Ni具有三维百合花状的形貌，它的表面具有粗糙和多孔性。CoNi2S4/Ni也拥有良好的导电性和氢化酶似的催化活性中心。研究发现，CoNi2S4/Ni具有良好的催化氢析出反应和催化氧析出反应性能，可作为双功能电催化剂用于全电解水。然而，该材料难以大范围制备以满足工业生产需求。 (2)简单的一步水热硫化法被用来改造泡沫镍基底，合成了直接长于泡沫镍基底上的Ni3S2纳米线(Ni3S2NWs/Ni)。该材料只需要扩大泡沫镍基底的面积即可实现大量制备。研究表明，Ni3S2NWs/Ni是直接长于泡沫镍上且具有纳米线状结构，它具有较大的活性面积和良好导电性。该材料具有良好的催化电解水性能。 (3)通过改性的方法，合成了内三维的纳米树干状的Ni3S2，再结合外三维的多孔泡沫镍(3D NF)，得到了一种内外三维的Ni3S2/NF基底(3D-3D Ni3S2/NF)。本实验以Ni(OH)2为例子比较3D-3D Ni3S2/Ni基底和原始3D NF在材料合成中的优势。通过低温水热法获得了纳米树状的Ni(OH)2/3D-3D Ni3S2/NF。树叶为Ni(OH)2纳米片，树干为Ni3S2。Ni(OH)2/3D-3D Ni3S2/NF中的Ni(OH)2和Ni3S2间具有协同作用。另外，它独特的纳米树状结构可分布更多的活性位点，使得活性位点能有效的与电解质接触。所以，该材料表现出了优异的催化氢析出反应和催化氧析出反应性能。研究发现，通过调节反应溶剂可以可控的获得2D-3D,1D-3D和0D-3D Ni3S2/NF基底，以满足不同的应用需求。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 电解水制氢技术

1.3 电解水原理

1.4 电解水催化材料的分类及研究现状

1.5 本文的研究目的和意义

参考文献

2.1 实验药品和仪器设备

2.2 材料的结构分析及表征方法

2.3 材料的电化学性能测试方法

第三章 CoNi2S4复合泡沫镍基底的合成及其电解水性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 结论

参考文献

第四章 Ni3S2纳米线复合泡沫镍基底的合成及其电解水性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

参考文献

第五章 Ni(OH)2复合内外三维的Ni3S2/Ni基底的合成及其电解水性能

5.1 引言

5.2 实验部分

3.3 结果与讨论

5.4 结论

参考文献

结论与展望

攻读硕士期间取得的科研成果

致谢