氮和磷共掺杂的CoFe碳纳米管–一种廉价的氢析出反应催化剂

摘要

随着科学技术，人口增长和经济的迅速发展，大量使用传统化石燃料引起的能源危机和环境污染日益严重。因此，为传统的化石燃料(煤、石油、天然气)寻找替代能源以迎接世纪的挑战，已受到世界各国科学家的关注。许多国家都重视清洁能源和可再生能源的开发利用。氢是宇宙中最丰富的元素，因此是一种永无止境的可再生能源。此外，氢气可以从可再生和可持续的能源中产生，从而为未来十年内的能源转型提供了一种有希望的环保解决方案。如今，电解水制氢被认为是替代化石燃料合成氢的主要可持续选择。电化学新能源技术是公认的最稳定、最高效的新能源技术。最具代表性的电化学新能源技术是电催化水裂解技术：析氢反应和析氧反应。氢析出反应(HER)最著名的有效催化剂是Pt和Pt基材料。但是，基于Pt的催化剂的最大缺点是成本高和Pt来源有限，这限制了Pt碱性电催化剂的广泛应用。开发地球资源丰富、低成本、高效的非贵金属催化剂已成为新能源研究的热点。近年来，过渡金属元素(钴、铁、镍)化合物及其衍生物(如氧化物、硫化物、磷化物、硒化物、氢氧化物、层状双氢氧化物和无定形物…)已得到广泛的研究。在众多过渡金属催化剂中，钴基和铁基催化剂由于其对环境友好和丰富的资源而具有广阔的应用前景。钴、铁基材料由于其优异的HER特性，通常被认为是水电解替代贵金属材料的有力竞争者。因此，大量研究表明，钴、铁基材料是一类具有突出前景的析氢反应催化剂。　　本文主要研究了通过形貌优化、形成碳纳米管(CNTs)结构、稀土原子掺杂、高效电极界面等方法来改善过渡金属的HER性能。主要内容是：使用低温和非贵金属过渡金属合成薄的无定形CoFeOOH。该前驱体经简单的80℃水热反应12h成功合成。因此，无定形CoFeOOH通过用次磷酸钠掺杂了P，但电催化性能不是很高。用双氰胺酰胺化无定形CoFeOOH，制得N掺杂CoFe碳纳米管后，可大大提高HER电催化性能。我们还指出，当N和P共掺杂时，HER电催化性能更高。这也证明了该合成策略适用于制备过渡金属共掺杂的氮和磷碳材料。

目录

声明

CHAPTER 1: INTRODUCTION

1.1 Research background and motivation

1.2 Hydrogen energy - application and production

1.2.1 Hydrogen energy

1.2.2 Application of hydrogen energy

1.2.3 Hydrogen production methods

1.3 Principle of electrolyzed water

1.3.1 Electrocatalytic water splitting system

1.3.2 Electrocatalytic oxygen evolution reaction

1.3.3 Electrocatalytic hydrogen evolution reaction

1.4 Parameters for evaluation of the catalytic activity

1.5 Progressing of Hydrogen Evolution Reaction catalysis

1.5.1 Metal catalysts for HER

1.5.2 Metal-free catalysts based on carbon

1.6 The significance of the thesis selection and main research contents

Chapter 2: EQUIPMENT AND EXPERIMENTAL METHOD

2.1 Experiment drugs and instruments

2.1.1 Experiment drugs

2.1.2 Instruments

2.2 Physical characterization of material

2.2.1 X-ray diffraction analysis (XRD)

2.2.2 Scanning electron microscope (SEM)

2.2.3 Transmission electron microscope (TEM)

2.2.4 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)

2.2.5 Brunauer – Emmett - Teller (BET) Surface Area Analysis

2.2.6 Raman spectroscopy

2.3 Electrochemical test analysis

2.3.1 The method of checking linear sweep voltmeter

2.3.2 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)

2.3.3 Cyclic voltammetry (CV)

CHAPTER 3: EXPERIMENTAL

3.1. Materials synthesis

3.1.1 Amorphous CoFeOOH

3.1.2 P–CoFe

3.1.3 N–CoFeCNTs

3.1.4 N, P–CoFeCNTs

3.2 Electrochemical testing methods for materials

3.3 Physical characterization of materials

CHAPTER 4: RESULTS AND DISCUSSION

4.1 Physical characterization results of materials

4.2 Electrochemical characterization results of materials

CONCLUSION

参考文献

致谢