镍钼合金催化剂的制备及其电解水性能研究

氢气作为一种良好的能量转换介质，具有能量密度高、清洁环保等优点，是替代化石燃料的有效能源。水电解（HER）是制氢最有效的方法，但由于存在过电位，电解水消耗更多的电力。为了有效提高能量转换效率，有必要开发廉价高效的催化剂。镍钼合金因其优异的碱性析氢性能和低廉的价格而受到广泛关注。本文采用水热反应制备了三维纳米棒，在氢气中分解制备了NiMo合金。研究了引入不同氧空位对分解催化剂HER性能及其煅烧分解过程的影响。此外，还讨论了形貌效应对系统性能的影响。具体研究内容如下：1.以泡沫镍为载体，在水热合成过程中将氢气、空气、氧气等不同气氛引入前驱体，从而在前驱体中引入不同量的氧空位。采用拉曼、EPR和XPS表征氧空位含量及其对元素价态的影响。随后在600°C的氢气气氛中煅烧，分解成MoO2的基层和表面的球形NiMo合金。XRD表征了氢气样品分解表面的Ni3Mo，而样品表面的其余部分主要是Ni4Mo，证明了还原气氛对结晶相的影响。使用电化学双层电容对活性表面积进行表征，发现氧样的活性表面较小，证明了氧化气氛对表面积的影响。

在1M KOH溶液中，空气样品（72.5 mV）优于氧气样品（84.3 mV）和氢气样品（125.5 mV），性能差异显著，证明了气氛控制的有效性，结晶相的效果强于活性位点的数量。采用DFT方法研究了Ni4Mo（200）和Ni3Mo（101）面的氢气吸附自由能和水吸附能，结果表明Ni4Mo（200）面的SHE性能优于Ni3Mo（101）面。采用原位XRD表征氢氧样品分解过程中的结构变化。氢样品峰位整体向左移动表明氢样品中的Mo原子更容易还原，然后Mo原子向外扩散，导致其他晶体的晶格条纹变宽。另一个明显的区别可以反映在25-40°范围图中，氢样品的MoO2（002）晶面始终存在，而氧样品在高温下消失，这被认为是由于催化剂内部的生长阻力不同，这进一步表明气氛调节可以有效地改变晶格稳定性，从而影响分解的晶相。其次，以泡沫镍为基底，在水热过程中加入氟化铵作为Ni源腐蚀泡沫镍，加入钼酸铵作为Mo源，在150°C下热液加热6 h得到前驱体。通过调节氟化铵和钼酸铵的输入量，可以控制形态，使用SEM观察到两种主要形态：三角锥形和薄片。

调节钼酸铵的用量可以调节负载量，从而调节催化性能。调节氟化铵可以通过操纵形态对性能产生影响。当加入氟化铵的量时，在合成反应的早期促进成核的爆炸，从而形成许多小的三角锥;相反，当加入少量氟化铵时，更容易形成较大的薄片。采用XRD技术检测氢气煅烧后的结晶相组成，结果表明，400°C煅烧后的样品结构基本保持，当煅烧温度达到500°C以上时，前驱体的特征峰完全消失，MoO2的特征峰和HER Ni4Mo的活性相出现。此外，还对催化剂的性能进行了测试，发现随着氟化铵和钼酸铵的增加，催化剂的OER性能得到显著提高。对于HER性能，由于前驱体在高温下煅烧，表面积过大的催化剂的性能会降低。筛选后，获得催化剂并测试其性能，电解电压为1.7 V，电流密度为10 mA cm-2。经稳定性测试，发现催化剂具有良好的稳定性。