钴钼氮化物的制备及其电解水性能研究

【摘要】：随着全球能源消费需求的不断增加和环境问题的日益恶化，开发可再生清洁能源替代传统化石燃料具有重要意义。氢能因其优质的能量密度和零碳排放被认为是一种绿色能源，水电解技术是实现可持续制氢的重要手段，其关键挑战在于开发用于析氢和产氧反应的高性能电催化剂。本文以钴钼氮化物为基础，通过探索不同的催化剂制备方法，合成了性能优异的水电解催化剂。首先，通过两步法将钴钼氮化物复合材料（Co-Mo_2N@NC）负载在氮掺杂的碳基底上，探究Co/Mo比对催化剂结构和电催化析氢（HER）性能的影响。表征与性能评估结果表明，元素钴的引入提高了Co-Mo_2N@NC体系的电导率，加快了电子转移速率； Co与Mo_2N之间的相互作用有效降低了Mo空d轨道密度，降低了金属-氢键能，有利于产物的脱附；反应过程中催化剂表面原位生成的Co(OH)_2可以促进HER反应第一步水的解离过程，因此该催化剂在碱性介质中表现出优异的HER活性：达到10 mA·cm~(-2)和100 mA·cm~(-2)所需的过电位分别为47 mV和170 mV，优于20 wt%Pt/C的性能。Co-Mo_2N@NC仅具有较高的HER催化活性，但水电解需要同时进行HER和OER反应，使用两种不同的催化剂增加了水电解反应的运行成本。为了降低运行成本，采用原位水热-氮化法在泡沫镍基底上原位生长钴钼氮化物纳米棒（MoN-@NF）自组装催化剂作为双功能催化剂，并探究氮化温度对催化剂结构和电催化析氢产氧（HER和OER）性能的影响。催化剂中Co和Mo的协同作用可以调控金属-氢键能，促进HER反应；而在OER反应中，催化剂部分氧化形成新的催化活性位，促进OER反应。因此，MoN-@NF在碱性介质中表现出优异的电化学析氢产氧催化活性，在电流密度为100 mA·cm~（-2）时HER过电位为155 mV，OER过电位为380 mV，优于Co-Mo_2N@NC。以MoN-@NF为阴极和阳极构成的双电极电解池,在电流密度为100 mA·cm~(-2)时池电位为1.80 V,优于贵金属材料Pt/C和RuO_2构成的双电极电解池。