电沉积制备碳纸负载级孔硫磷化钴镍电极析氧性能研究

摘要

随着化石燃料的过度消耗，能源问题已经成为全球性难题，寻找可再生、环境友好型的能源迫在眉睫。水分解制取氢气是最具前景的能源转换技术之一，但该技术的发展受到阳极析氧反应(OER)缓慢的反应动力学限制。因此，开发高效、稳定的析氧反应催化剂至关重要。本研究以碳纤维纸为基底，采用电沉积的方法成功合成了具有较好析氧活性的硫磷化钴电极及硫磷化钴镍电极。 首先采用循环伏安法，以碳纤维纸为基底，电沉积制备了磷化钴（Co2P/CFP）。研究了沉积圈数对催化剂表面形貌和析氧催化活性的影响，经过40小时的耐久性测试，催化剂依然保持了良好的析氧催化活性。 为了进一步提高催化剂析氧活性，通过掺杂非金属元素S研究了硫磷化处理对催化剂析氧活性的影响。采用两步电沉积法（在CFP上先沉积硫化钴纳米片再进行磷化）合成了硫磷化钴（Co2-xSP/CFP）。通过改变沉积圈数，调控催化剂的表面形貌与P元素的含量，提高了催化剂中活性中心Co3+离子的浓度。得到的催化剂（Co2-xSP3/CFP）析氧过电势明显低于Co2P/CFP、Co1-xS/CFP和商业催化剂IrO2，经过长达60h的稳定性测试后，催化剂依然具有很好的析氧活性。通过对稳定性测试后的样品进行分析，发现Co2-xSP/CFP表面逐渐被氧化为氧化钴/氢氧化钴。 在Co2-xSP基础上，通过掺杂非贵金属Ni，得到了Co2Ni2-xS1-xPx/CFP析氧催化剂，Ni加入进一步提高了催化剂中Co3+/Co2+比例，强化了催化剂的析氧活性，并且表现出很好的析氧稳定性，同时该催化剂具有较好的全解水性能。

目录

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第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 电解水反应机理与催化剂

1.2.1 电解水反应机理

1.2.2 电解水催化剂

1.3 钴基催化剂在电解水中的应用

1.3.1 钴基磷化物

1.3.2 钴基硫化物

1.3.3 钴基氧化物

1.3.4 钴基硫磷化物

1.4 本课题研究内容及意义

第二章 实验部分

2.1实验材料

2.2 碳纤维纸（CFP）的预处理

2.2.1 物理清洁

2.2.2电化学清洁

2.3 Co2P/CFP、Co2-xSP/CFP、Co2Ni2-xS1-xPx/CFP的制备

2.3.1 电沉积制备Co2P/CFP

2.3.2电沉积制备Co2-xSP/CFP

2.3.3 电沉积制备Co2Ni2-xS1-xPx/CFP

2.4 Co2P/CFP、Co2-xSP/CFP、Co2Ni2-xS1-xPx/CFP的的表征方法

1. 扫描电子显微镜（SEM）

2. 透射电子显微镜（TEM）

3. X 射线衍射（XRD）

4. X 射线光电子能谱（XPS）化学态分析

2.5催化剂电极的析氧（OER）活性和全解水性能评价

第三章 碳纤维纸上电沉积Co2P及其OER活性评价

3.1 Co2P/CFP的物理表征

3.1.1 SEM分析

3.1.2 TEM分析

3.1.3 XRD与XPS分析

3.2 Co2P/CFP的OER活性评价

3.3 本章小结

第四章 碳纤维纸上两步法电沉积Co2-xSP及其OER活性评价

4.1两步法电沉积合成Co2-xSP方法确定

4.1.1 三种沉积策略

4.1.2 不同策略合成电催化剂的OER活性

4.2 Co2-xSP/CFP电极结构表征

4.2.1 Co2-xSP/CFP的形貌

4.2.2 Co2-xSP/CFP的组成和结构

4.3 Co2-xSP/CFP电催化剂的OER活性评价

4.4 本章小结

第五章 碳纤维纸上两步法电沉积Co2Ni2-xS1-xPx及其OER活性评价

5.1 Co2Ni2-xS1-xPx/CFP的物理表征

5.1.1 Co2Ni2-xS1-xPx/CFP的形貌

5.1.2 Co2Ni2-xS1-xPx/CFP的组成和结构

5.2 Co2Ni2-xS1-xPx的OER活性评价

5.3 Co2Ni2-xS1-xPx/NF的全解水活性评价

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2本工作创新点

6.3展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢