磷化钴纳米材料的制备及电催化析氢性能研究

摘要

随着化石能源的日趋枯竭和环境污染的不断加剧，发展新型的可再生能源已成为人类的普遍共识。作为一种二次能源，氢气由于具备高能量密度、资源丰富和零温室气体排放等优点，从而被视为一种极具潜力的能量载体。电解水是一种很有前景的制氢技术，但是也存在能耗较高的问题，而高效催化剂的使用可降低析氢反应（HER）的过电位，从而达到降低能耗的目的。Pt作为最有效的析氢催化剂，稀缺性和高成本限制了它的广泛应用。因此，开发含量丰富、成本低廉且电催化活性高的析氢催化剂来替代 Pt，就显得尤为重要。
　　基于以上思路，本文通过简单的一步电沉积结合恒电位活化或低温磷化的方法，原位制备了两种不同结构的磷化钴纳米材料，并进行了材料的表征和电催化性能的测试。研究结果如下：
　　（1）通过简单的一步电沉积结合恒电位活化方法，首次原位制备了 Co-P纳米片复合材料。该材料在活化过程中发生了从微米球到纳米片的形貌结构上的演变，这可归因于阴极的还原反应对材料形成的化学刻蚀作用。这种刻蚀作用为材料暴露了丰富的活性位点，提升了析氢反应性能。电化学测试结果表明，该复合材料在强碱条件下表现出了卓越的析氢性能，低至37 mV·dec?1的塔菲尔斜率，在电流密度为10 mA·cm?2时的过电位仅为85mV，如此低的过电位完全可以媲美强碱条件下最好的非贵金属催化剂。
　　（2）采用一步电沉积方法制备了纳米片状的氢氧化钴（Co(OH)2）前驱体，然后于管式炉中对其进行低温磷化，最终得到了以钛片（Ti）为基底的磷化钴（CoP）复合材料，命名为 CoP/Ti。XRD和XPS等表征结果表明，低温磷化反应成功地将磷元素引入前驱体。CoP/Ti材料在酸性介质中表现出了高效的电催化性能和极好的长期稳定性，在电流密度为10 mA·cm?2时的过电位仅为83 mV，经过2000圈循环后活性几乎无衰减。在强碱介质下拥有超低的过电位，在电流密度为10 mA·cm?2时的过电位为87 mV。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 背景

1.2 电解水析氢的研究现状

1.3 电解水析氢的机理

1.4 非贵金属催化剂的分类

1.4.1 金属硫化物

1.4.2 金属硒化物

1.4.3 金属氮化物

1.4.4 金属碳化物

1.4.5 金属磷化物

1.5 金属磷化物在其他领域中的应用

1.5.1 在加氢脱硫反应中的应用

1.5.2 在锂离子电池中的应用

1.5.3 在生物领域中的应用

1.6 本课题研究意义和内容

1.6.1 研究意义

1.6.2 研究内容

第2章 原位活化法制备的磷化钴复合材料及电催化析氢研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂及仪器

2.2.2 Co-P复合材料的制备

2.2.3 商业Pt/C催化剂的制备

2.2.4 材料表征

2.2.5 电化学测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 Co-P复合材料的SEM图

2.3.2 Co-P复合材料的活化过程

2.3.3 Co-P复合材料的TEM图

2.3.4 Co-P复合材料的EDX谱图

2.3.5 Co-P复合材料的XRD和拉曼光谱表征

2.3.6 Co-P复合材料的XPS表征

2.3.7 Co-P复合材料的电催化性能测试

2.4 本章小结

第3章 低温磷化法制备的磷化钴纳米材料及电催化析氢研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂及仪器

3.2.2 CoP/Ti的制备

3.2.3 商业Pt/C催化剂的制备

3.2.4 材料表征

3.2.5 电化学测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 CoP/Ti的SEM图

3.3.2 CoP/Ti的TEM图

3.3.3 CoP/Ti的EDX谱

3.3.4 CoP/Ti的XRD光谱

3.3.5 CoP/Ti的XPS

3.3.6 CoP/Ti的电化学测试

3.4 本章小结

结论

参考文献

附录A攻读硕士学位期间发表的论文

致谢