多級結構非貴金屬復合物的制備及其電催化制氫性能的研究.pdf

1、二十一世紀科技飛速發(fā)展，開發(fā)研究新能源以代替煤炭在能源結構中的地位成為了一個具有廣闊前景的研究方向。氫能源作為一種擁有無窮潛力的清潔能源在眾多新能源中脫穎而出。有多種方法可實現氫能源的制取，其中電解制氫具有明顯的優(yōu)勢，有望實現氫能源低能耗的可控制取。通過研究高活性低成本的電極材料以降低電解制氫過程中能耗是氫能源發(fā)展的關鍵。本文主要研究內容如下:
　　首先選擇含有非貴金屬元素Ni、Co、Fe的前驅體，于多孔泡沫鎳基底(NF)上，通過

2、水熱法原位負載了納米線/片，得到了M1M2(OH)x/NF(M代表Ni、Co、Fe中任意一種)復合電極材料。然后采用高溫熱解磷化法處理M1M2(OH)x/NF，得到M1M2Px/NF復合電極材料。研究了不同種金屬組合和高溫磷化過程對電極材料結構與電催化性能的影響。其中，含有Fe元素的FeM2Px/NF具有致密的納米片狀結構，納米片厚度約為20nm左右，納米片相互交錯支撐自發(fā)形成豐富的孔道結構。在1M KOH溶液中，FeM2(OH)x/N

3、F與FeM2Px/NF的析氧(OER)性能均較為優(yōu)秀，達到100mA·cm-2的電流密度時，析氧過電位均為350mV左右，也表明磷化對此類催化劑OER的影響有限。CoNiPx/NF上負載有垂直于NF骨架高密度生長的CoNiPx納米線，納米線直徑為25nm左右。CoNiPx/NF的析氫性能(HER)最為優(yōu)秀，達到-100mA·cm-2的電流密度時，析氫過電位為210mV，比CoNi(OH)x/NF降低了303mV。高溫磷化熱解磷化對材料的

4、HER性能的提升，一方面得益于磷化物比氫氧化物更高的電子傳導效率高，另一方面，P元素修飾增強了CoNi催化劑活性氫的吸附。根據HRTEM表征，CoNiPx納米線由二元晶粒構成，存在更多的晶面缺陷，提供了更多的活性位點。
　　為進一步降低電解制氫能耗，在陽極上用電催化水合肼氧化反應(HzOR)代替OER反應，與HER組成新的電解反應。以CoNiPx/NF為基礎，利用其納米線陣列，再結合電沉積方法，制備出具有多級復合結構的NiCoPx

5、@NiCo(OH)x/NF電極材料。結果表明，此材料的結構分為三個層級:底層為泡沫鎳，中間層為NiCoPx納米線，頂層為NiCo(OH)x納米片，不僅提供了自上而下的優(yōu)良導電基體，又提供了較大的反應界面和優(yōu)良的空間傳質通道。NiCoPx@NiCo(OH)x-30s/NF在HzOR與HER方面同時表現出卓越的性能，是一種優(yōu)良的雙功能催化材料。尤其是HzOR方面，在3M KOH與0.1M N2H4的混合電解液中，起始電催化氧化水合肼電位在-