钴钼基催化剂的制备及电催化水分解性能研究

【摘要】：经济社会的不断发展离不开大量化石能源的不断消耗，化石能源为人类生产生活注入了动力，但也带来了环境污染和能源枯竭两大严重问题，需要世界共同面对。因此，开发利用清洁环保、无污染、高效的可再生能源成为全球能源领域的研究重点。电化学水分解技术因符合人们对未来能源生产技术的期待，在能源转换和存储领域得到了广泛的研究，它基于慢动力学反应机理将水分解为氢气和氧气，是一种理想的、可持续的制氢技术。在电催化水分解技术中，高活性的催化剂可以降低催化反应的势垒，加速水分解反应。目前，商业上应用的电解水分解催化剂主要是贵金属，它们性能优异，但价格昂贵、储量稀缺，进一步限制了其大规模生产的工业化进程。因此设计开发耐久性优异、价格低廉的高性能电催化剂是氢能技术的重点发展方向。在此，该文采用元素掺杂和界面调控两种合成策略，设计制备了高效稳定的水电解催化剂，并探索了合成手段与高活性目标映射的组成结构与催化性能之间的关系。内容如下：（1）通过磷原子掺杂调控电子结构有助于提高HER电催化性能，在泡沫镍基底上合成了P-/NF微棒。利用XRD、SEM、TEM、XPS等表征分析技术，证明成功将P掺杂到材料中生成了形貌均匀的微棒状材料，并且其电子结构得到了优化。

受益于P掺杂引起的组分结构的变化，电化学性能测试证实P-/NF的HER性能与P掺杂前相比有较大提高，本征活性增强，电导率提高，活性比表面积略有增加。磷原子掺杂从根本上优化了活性位的氢吸附能，大大提高了活性位的本征活性，获得了高效稳定的碱性HER性能：在10 mA cm-2电流密度下获得了较低的过电位89 m V和较低的Tafel斜率59 m V dec-1，并且在计时电流测量过程中过电位保持稳定长达24 h。（2）Ag修饰钴钼氮化物产生的界面结构有利于高效的电催化水分解，成功在碳纸上制备了Co-Mo-N@Ag催化材料。通过SEM、TEM、XRD、ICP等分析得知：少量的Ag以单一物质的形式掺入到Co-Mo-N中，促使材料表面形成一层与纳米片耦合的Ag纳米花，并在纳微场中生成Ag、Co_2N和Mo N三相界面，产生协同效应，调控其电子结构，加速电子从Ag到Mo N的传输。本工作进行了多个对比实验，包括：Ag含量的调控，单双金属组分对催化的影响，以及Ag与Co-Mo-N协同效应的证明，最终达到了预期的实验目标，Co-Mo-N@Ag界面结构激活了Ag位点改善OER，激活了Mo位点改善HER。具体性能参数为：在10 mA cm-2电流密度下获得了极低的OER过电位234 m V和极低的Tafel斜率54 m V dec-1；在10 mA cm-2电流密度下获得了较小的HER过电位90 m V和较小的Tafel斜率73 m V dec-1。将其用于双电极体系用于碱性溶液中电化学水分解时，依然表现出优异的性能：在10 mA cm-2电流密度下获得了极低的1.56 V电池电压，并在10 mA cm-2、50 mA cm-2、100 mA cm-2电流密度下连续30小时保持长期稳定性。