电解水用非贵金属纳米催化剂的设计、合成及性能

摘要

氢能具有能量密度高、清洁无污染等优点，在未来有望成为化石燃料的替代品。由于成本低廉和制氢纯度高等优点，电化学分解水成为了一种极具潜力的制氢方式，其过程涉及两个电化学半反应，即析氢反应（hydrogen evolution reaction，HER）和析氧反应（oxygen evolution reaction，OER）。然而，整个电解水过程存在着涉及四电子转移的缓慢反应动力学，使反应具有较大的过电位和不尽人意的反应热力学。因此，需要寻找合适的催化剂以降低反应的活化能并提高转化效率。目前，最优的HER和OER电催化剂分别是Pt基材料和Ru或Ir的氧化物，但贵金属的低储量和高成本限制了它们的广泛应用。科学家们已经开始致力于非贵金属电催化剂的研究，其中包括过渡金属化合物（硫化物，磷化物，碳化物，氮化物，氧化物等），但大多数不含贵金属的电催化剂在活性和稳定性上仍不能令人满意。在本论文中，设计合成了一系列非贵金属化合物作为电解水的催化剂，并通过杂原子掺杂、特殊形貌结构、碳基质协同作用等方式提升材料的活性和稳定性。主要研究内容如下：　　通过在室温下进行电沉积过程获得Fe/FeOOH/FeP前驱体，并进一步通过5分钟的酸刻蚀制备FeP纳米立方体。FeP纳米立方体的表面和内部都具有独特的纳米孔结构，这有利于暴露更多的活性位点并有效地加速了传质效率。因此，合成的纳米多孔FeP立方体在酸性和碱性介质中均显示出良好的HER活性，电流密度为10mA cm?2时具有较低的过电势，并且在酸性溶液中具有优异的稳定性。　　Fe3C催化剂的成本相对较低，具有优异的催化性能和稳定性，在催化电解水方面具有替代贵金属催化剂的潜力。以锌铁钼三金属复合材料作为前驱体，经过高温煅烧后获得钼掺杂的碳化铁纳米材料。钼元素的掺入能调节材料的电子结构，有利于催化剂性能的提升，同时碳基质的复合能增加材料的导电性和稳定性。所获得的Mo-Fe/Fe3C催化剂在碱性介质中表现出良好的OER性能，经过24h的持续测试后也能基本保持原来的活性。　　以ZIF-67为模板进行离子交换反应和高温磷化，合成了蛋黄壳结构的复合CoP催化剂（CoP@FeCoP/NC）。在大比表面积，金属磷化物之间的相互作用以及磷化物与碳载体的协同作用下，所获得的CoP@FeCoP/NC催化剂达到电流密度为10mA cm?2分别需要的过电位低至143mV（HER）和236mV（OER）。当使用所制备的催化剂组装两电极电解水装置时，电池电压仅为1.68V就能达到10mA cm?2电流密度，并且在持续测试20h后也能表现优异的稳定性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 电催化分解水的反应机理

1.3 过渡金属催化剂的研究进展

1.4 改善电催化剂性能的方法

1.5 本论文的研究目的、意义和主要内容

第2章 纳米多孔FeP立方体催化剂的快速制备及催化电解水析氢

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 Mo掺杂Fe/Fe3C纳米颗粒用于电解水析氧性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 MOF衍生的蛋黄壳CoP@FeCoP/NC多面体用于高效电解水

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

个人简历

在读期间公开发表论文（著）及科研情况

致谢