钴钒铁钼基金属化合物电催化剂的制备及其电解水性能的研究

摘要

化石能源的过度开采及其导致的污染问题已经成为当今世界上困扰人类的主要难题之一，由于传统的一次能源不可再生且能量转换效率低，明显无法满足飞速发展中的现代社会的耗能需求。新型氢能源作为清洁新能源研究领域的代表，其开发正受到科学界的广泛关注。氢气的制备途径有很多，其中，电解水正是其中一种热门的获取氢能源的途径。但是直接电解水需要跨过很高的能垒，并且，目前大部分的催化剂都只是集中于析氢或析氧的半反应的催化剂的研究，这两个反应的催化剂通常在不同的介质中表现出高活性，或者当相同电解质溶液中配对两种类型的催化剂时，不兼容的集成导致整体水电解的效率降低。所以，开发可在同一电解液中高效分解水生成氢氧气的新型双功能电催化剂是当今研究的重点。高效的电催化剂具有如下特点:本征活性高、电子状态调制到最佳、电解液与催化剂能较大程度接触、电子能较快传导。在本文中针对以上问题以及策略设计了铁掺杂的钒酸钴Co3(1-x)Fe3xV2O8(x=0～0.9)以及钒酸钴与二硫化钼纳米阵列复合材料Co3V2O8/MoS2/CC，并且对各材料的催化电解水性能进行测试。具体研究内容如下:
　　1、通过一步法，通过添加不同摩尔比例的铁和钴，合成一系列不同的铁掺杂量的钒酸钴(Co3(1-x)Fe3xV2O8)，并对系列材料进行结构与电催化性能的表征。通过一定量Fe掺杂，优化了材料的的电子结构，从而影响催化活性。由电化学测试结果可知，Co3(1-x)Fe3xV2O8作为析氧催化剂，其电催化性能满足类似火山型曲线规则，Co1.5Fe1.5V2O8拥有最优的析氧性能，260mV的起始电位，塔菲尔斜率为32.8mV dec-1。并且Co1.5Fe1.5V2O8作为析氢催化剂时，也只需较低的过电势。将Co1.5Fe1.5V2O8应用于两电极全水解时，在1.59V(vs.RHE)时电极开始发生全电解反应，当电流密度达到10mA cm-2时只需电压约1.66V。Co1.5Fe1.5V2O8作为阴阳极进行的全水解稳定性测试，长时间的稳定性测期间体系保持稳定的电流密度，稳定性测试后其结构不发生改变。
　　2、通过两步法，在碳布上原位合成Co3V2O8/MoS2纳米复合物阵列(Co3V2O8/MoS2/CC)，并对材料的电催化析氧析氢性能进行研究。首先，通过水热法在碳布基底上原位垂直生长MoS2纳米片阵列(MoS2/CC)，接着在较为温和的水热条件下进行第二步生长，也就是在MoS2/CC上继续原位生长Co3V2O8纳米颗粒，即Co3V2O8/MoS2/CC。通过构筑这样的特殊形貌界面，暴露更多的活性位点，与电解液充分的接触，协同催化电解水。电催化测试表明，Co3V2O8/MoS2/CC复合物纳米片阵列在碱性环境中拥有良好的析氢析氧催化活性，在较低的过电位下能稳定高效地工作。并且在双电极全解水测试中，展现了优越的催化活性，以及持续高效的稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 电催化水分解反应

1．2．1 析氧反应

1．2．2 析氢反应

1．3 电催化水分解反应催化剂

1．3．1 析氧反应催化剂

1．3．2 析氢反应催化剂

1．3．3 双功能电解水催化剂

1．3．4 催化剂性能提高策略

1．4 钴钒基材料电催化材料

1．5 课题选题思路

1．6 课题主要研究内容

第二章 Co3(1-x)Fe3xV2O8纳米颗粒的制备及其催化电解水性能的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 表征技术

2．3 Co3(1-x)Fe3xV2O8材料的制备

2．3．2 工作电极的制备

2．4 电化学性能测试

2．5 结果与讨论

2．5．1 Co3(1-x)Fe3xV2O8材料结构表征分析

2．5．2 Co3(1-x)Fe3xV2O8材料电催化性能分析

2．6 小结

第三章 Co3V2O8／MoS2纳米复合物电极的制备及其催化电解水性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 表征分析技术

3．3 催化剂的制备

3．3．1 MoS2／CC的制备

3．3．3 工作电极的制备

3．4 电化学性能测试

3．5 结果和讨论

3．5．1 电极结构的表征分析

3．5．2 电极电催化性能分析

3．6 小结

第四章 结论

参考文献

致谢

导师及作者简介

研究成果