过渡金属硫化物氢析出催化剂的结构设计与性能优化

摘要

当今世界面临着两个最为严峻的考验，一是环境污染，二是能源危机。环境和能源问题与世界各国的经济发展密切相关，清洁可再生能源的开发利用受到许多国家的重视。氢能是广受关注的清洁能源。催化水电解产氢最好的催化剂是贵金属Pt，Pt在自然界中存储量低，因而价格昂贵，由此也限制了水电解产氢产业的发展。研究开发储量丰富、低成本并且高效的非贵金属催化剂来代替Pt催化剂成为了能源科学领域的关注热点。本论文重点通过调控催化剂的形貌、掺杂杂原子以及引入界面等方式有效地提高了过渡金属硫化物的氢析出催化性能。本论文的主要研究内容如下:
　　(1)用HCl预处理泡沫镍后，通过水热方法成功地合成了长在泡沫镍基底上的多级二硫化三镍纳米棒阵列(Ni3S2/AT-Ni foam)。结果证明用HCl预处理泡沫镍对于合成理想的结构与形貌非常重要。合成的Ni3S2/AT-Ni foam展现了极好的氢析出电催化活性与稳定性，在低的过电势200 mV的时候就达到了电流密度10mA cm-2，比其它很多文献报道的非贵金属催化剂都要好。
　　(2)第一次设计合成了P掺杂的CoS2纳米片阵列作为高效的氢析出催化剂(CoS2/P)，研究了阴离子掺杂对氢析出性能的影响。P掺杂会促进电荷转移并促进质子吸附，优化CoS2的表面特性，从而使其成为更高效的氢析出催化剂。P掺杂的策略使得CoS2的氢析出性能显著提高，起始电位低至25 mV,在低的过电势67 mV的时候就达到了电流密度10 mA cm-2，甚至超过了CoP。
　　(3)通过界面将二硫化钼(MoS2)稳定性好的优点以及二硫化钴(CoS2)催化活性高的优点成功地结合在一起，合成了高效的复合MoS2@CoS2氢析出催化剂。得到的同轴MoS2@CoS2氢析出性能较纯的MoS2以及CoS2有显著提高，起始电位仅为20 mV,在低的过电势69 mV的时候就达到了电流密度10 mA cm-2。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 能源现状

1．2 氢气能源

1．3 氢气能源的应用

1．3．1 在生物医疗方面的应用

1．3．2 在工业方面的用途

1．3．3 在燃料电池方面的应用

1．4 电催化产氢反应机理

1．5 本文研究意义及背景

1．5．1 无机非金属催化剂

1．5．2 过渡金属催化剂

1．6 本文研究思路及主要研究内容

第2章 多级Ni3S2纳米棒阵列作为高效的氢析出催化剂研究

2．1 前言

2．2 实验试剂与仪器

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．3 实验部分

2．3．1 材料合成

2．3．2 物理表征

2．3．3 电化学测试

2．4 结果与讨论

2．4．1 BET比表面积

2．4．2 X射线衍射光谱

2．4．3 拉曼光谱

2．4．4 场发射扫描电子显微镜

2．4．5 场发射透射电子显微镜

2．4．6 电化学性能表征

2．5 本章小结

第3章 P掺杂的CoS2纳米片阵列作为高效的氢析出催化剂研究

3．1 前言

3．2 实验试剂与仪器

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．3 实验部分

3．3．1 材料合成

3．3．2 物理表征

3．3．3 电化学测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 X射线衍射光谱

3．4．2 拉曼光谱

3．4．3 场发射扫描电子显微镜

3．4．4 场发射透射电子显微镜

3．4．5 X射线光电子能谱

3．4．6 电化学性能表征

3．5 本章小结

第4章 多级同轴的MoS2@CoS2作为高效的氢析出催化剂研究

4．1 前言

4．2 实验试剂与仪器

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．3 实验部分

4．3．1 材料合成

4．3．2 物理表征

4．3．3 电化学测试

4．4 结果与讨论

4．4．1 X射线衍射光谱

4．4．2 拉曼光谱

4．4．3 场发射扫描电子显微镜

4．4．4 场发射透射电子显微镜

4．4．5 X射线光电子能谱

4．4．6 电化学性能表征

4．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢