钴基催化剂、镍钼氮电催化材料的制备及其电催化分解水性能的研究

【摘要】：随着世界人口的快速增长，现代社会对能源的需求也日益增加。化石能源是目前主要的能源，但化石能源的大规模消耗无法得到补充，也带来了严重的环境污染问题。因此寻找一种新型的可再生清洁能源至关重要。氢气因其热值高、无污染、来源广泛而被广泛视为具有替代化石能源潜力的新能源。在众多的氢气制备方法中，电催化水分解法因能得到纯氢气而不产生其他副产物而备受关注。目前最有效的催化剂多为贵金属铂、铱、钌化合物，价格昂贵，不能用于大规模工业生产。因此，制备合成廉价、储量丰富的过渡金属化合物来替代贵金属催化剂成为目前的研究热点之一。本论文的主要研究内容包括：（1）采用电沉积方法在泡沫镍上制备Co-P前驱体，在室温下经过选择性酸碱处理后，在不同pH条件下进行析氢反应（HER）。碱处理后的CoxOy/NF电极在碱性条件下能够析出氢气，仅需80 mV的过电位就能获得10 mA/cm2的电流。酸处理后的Co-Pi/CoP/NF电极在酸性条件下仅需112 mV的过电位就能获得10 mA/cm2的析氢电流。而且CoxOy/NF电极在碱性电解液中也具有析氧反应（OER）活性，仅需378 mV的过电位就能获得10 mA/cm2的电流。CoxOy/NF和Co-Pi/CoP/NF电极在相应的电解液中均具有非常好的时间稳定性和循环稳定性，解决了前驱体所不具备的稳定性问题。在析氢过程中，+2价和+3价钴的协同作用是催化剂具有高催化活性的关键，在催化剂中引入磷酸钴也可能引起人们对过渡金属磷酸盐催化析氢的关注和研究。（2）采用水热法合成镍钼氧前驱体，将前驱体在不同温度下用氨气进行氮化，得到不同的镍钼氮化合物NiMoN-500，NiMoN-600，NiMoN-700和NiMoN-800。系列镍钼氮化合物在碱性电解液中同时具有电化学析氢和析氧活性。其中，NiMoN-700仅需210 mV的过电位就能获得10 mA/cm2的析氧电流，是一种非常高效的OER催化剂。 NiMoN-700良好的导电性、较大的电化学活性面积是其具有优异OER性能的主要原因，双金属的协同效应也起着至关重要的作用。