NiS2@NC和NiCo2S4@NC/NF电极材料的设计合成及电化学性能研究

摘要

电解水制氢具有巨大开发潜力来实现大规模制氢，而低成本、高效和稳定性佳的析氢电催化剂是该技术能够实现工业化的关键。过渡金属硫化物电极材料由于其优异的电催化析氢活性备受关注，其中镍硫化物(NiSx)因具有成本低、易于制备和在酸性介质中催化活性高的优点最具开发价值。但受制于其本征性质导致硫化物的稳定性较差，制约了其进一步发展。为解决上述问题，本研究选取具有良好结构稳定性的碳材料作为支撑材料，将活性物质锚定在碳材料中从而有效增加其结构稳定性。　　基于此，本论文研究制备了一类新颖的氮掺杂碳包覆二硫化镍电极材料(NiS2@NC)。该豆荚状包覆结构不仅能够有效增大复合材料的比表面积，而且可以提高复合材料的结构稳定性和化学稳定性。此外，还研究了生长在泡沫镍上的氮掺杂碳包覆双金属阵列催化剂(NiCo2S4@NC/NF)。阵列结构可以形成立体导电网络，增加材料的电导率。当对两种催化剂进行电催化产氢性能评价时，均表现出良优异的稳定性及高催化活性。本文的主要研究内容如下：　　①利用简单的水热反应合成了Ni(OH)2前驱体，通过两步煅烧成功合成了新型碳包覆结构的纳米复合材料。该材料具有比表面积大、结构稳定性高和导电性良好等优点。此外，在碳层引入氮元素，能够有效调控碳材料的电子结构从而进一步提升复合材料的电导性。因此该复合材料表现出优异的电催化析氢性能，在0.5mol/L H2SO4中，当电流密度为10mA/cm2时，呈现出极低的过电位(66mV)和低的塔菲尔斜率(52mV/dec)。　　②基于阳离子调控，本文研究了在泡沫镍基底上生长氮掺杂碳包覆双金属阵列并将其作为析氢催化剂进行电化学性能评估。由于该材料比表面积大，可以暴露更多的活性位点。此外，该阵列结构可以形成立体导电网络，提高其电导率。包覆结构和阵列结构可以有效增加材料的结构稳定性和电化学稳定性。因此，该材料的催化性能优异，在0.5mol/L H2SO4中，该电极材料在电流密度为10mA/cm2下呈现出低过电位(79mV)和高循环稳定性(反应200h，过电位增加约3.1%)。此外，本文还探究了不同Ni/Co比例下样品的催化活性。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 电解水概述

1.2.1 电解水的原理

1.2.2析氢反应原理

1.3 析氢反应催化剂研究进展

1.3.1 氢反应催化剂简介

1.3.2 过渡金属基催化剂

1.3.3 碳基催化剂

1.3.4 镍硫化物HER催化剂

1.4 本论文的研究思路和内容

2 实验部分

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器

2.3.1 X-射线衍射分析（XRD）

2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）

2.3.3 X-射线光电子能谱（XPS）

2.3.4 拉曼光谱（Raman）

2.3.5 透射电子显微镜（TEM）

2.3.6 比表面积及孔径分析（BET）

2.4 催化剂的电化学性能测试

2.4.1 工作电极的制备

2.4.2 电催化性能测试

3 新型NiS2@NC电极材料的制备及电催化性能的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3结果与讨论

3.3.1 NiS2@NC合成路线图

3.3.2 Ni(OH)2前驱体及Ni@NC中间体形貌与结构表征

3.3.3 豆荚状NiS2@NC的物相分析

3.3.4 豆荚状NiS2@NC的形貌分析

3.4 电化学性能测试

3.5 本章小结

4 新型NiCo2S4@NC/NF电极材料的制备及电催化性能研究

4.1 引言

4.2实验部分

4.3 结果与讨论

4.3.1 NiCo2S4@NC/NF合成路线图

4.3.2 前驱体和中间产物形貌与结构表征

4.3.3 NiCo2S4@NC/NF的物相分析

4.3.4 NiCo2S4@NC/NF的形貌分析

4.4 电化学性能测试

4.5 本章小结

5 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文

B. 学位论文数据集

致谢