基于過渡金屬電解水催化劑的制備及性能研究.pdf

1、當(dāng)今社會(huì)人類日益增加的能源需求和地球上日漸減少的自然資源開啟了一場(chǎng)關(guān)于開發(fā)地球上存儲(chǔ)豐富的能源替代物以及設(shè)計(jì)高效的能源存儲(chǔ)裝置的變革。氫氣是一種十分重要的能源，它不僅是碳?xì)浠衔锶剂袭a(chǎn)品和化學(xué)產(chǎn)品的最重要的原料之一，而且由于氫氣的高能量密度以及環(huán)境友好的特性，因而它也被認(rèn)為是可持續(xù)的能源存儲(chǔ)的理想能源載體和化石燃料的替代物。目前，氫氣的生產(chǎn)依然依賴于化石燃料行業(yè)，因此也面臨著許多難題如：生產(chǎn)的氫氣純度低、代價(jià)高等。利用電流或者太陽光來使

2、水分解產(chǎn)生氫氣和氧氣是最有效的生產(chǎn)氫氣的方法之一，并且生產(chǎn)成本低、制備的氫氣純度高。電催化析氫反應(yīng)（Hydrogen evolution reaction）是水分解的主要反應(yīng)之一，被認(rèn)為是大規(guī)模工業(yè)產(chǎn)氫的一種高效的途徑。貴金屬Pt等是目前最好的析氫催化劑，但是由于含量有限且花費(fèi)巨大因而無法大規(guī)模推廣。從近年來關(guān)于電化學(xué)水解產(chǎn)生氫氣的研究進(jìn)展中發(fā)現(xiàn)，納米結(jié)構(gòu)的過渡金屬化合物能夠成為Pt等貴金屬的很有前途的替代物。因而，設(shè)計(jì)制備便宜的、地球

3、上含量豐富且高效的非貴金屬HER電催化劑是具有非常積極的現(xiàn)實(shí)意義的。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用原位生長(zhǎng)的方法以商業(yè)化碳布為基底在表面生長(zhǎng)三氧化鎢納米棒陣列（WO3 NA/CC），進(jìn)一步氮化得到氮化鎢納米棒陣列（WNNA/CC）。以導(dǎo)電的碳布為基底可以增加電子傳輸，生長(zhǎng)在3D的碳布基底上的氮化鎢的納米棒陣列可以增大與電解液的接觸面積，暴露更多的催化活性位點(diǎn)。另外，氮化鎢的優(yōu)良的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性增加了WN NA/CC在催化產(chǎn)氫

4、過程中的穩(wěn)定性。因此，三維的WNNA/CC作為析氫陰極在全pH范圍內(nèi)均表現(xiàn)出很好的HER性能，在電流密度為10mA/cm2時(shí)需要過電勢(shì)為190mV，并且能夠保持其催化活性至少60h。同時(shí)，本工作中的這種設(shè)計(jì)納米材料電極的方式為接下來設(shè)計(jì)其它基于過渡金屬的氮化物開拓了新途徑。⑵采用簡(jiǎn)單的一步水熱法在酸刻蝕處理的鈦片上原位生長(zhǎng)二硫化鉬納米片陣列（MoS2NAs/Ti）。由于濃酸對(duì)鈦片進(jìn)行刻蝕處理后表面成為三維結(jié)構(gòu)，原位生長(zhǎng)二硫化鉬納米片時(shí)增

5、大了材料的接觸面積進(jìn)而暴露出更多的催化活性位點(diǎn)。而且以金屬鈦?zhàn)鳛榛撞粌H可以增加材料和電解液間電子的傳輸，還能增加材料的機(jī)械穩(wěn)定性。因此，MoS2NAs/Ti具有比二硫化鉬微米粒子（MoS2MPs）在全pH范圍都表現(xiàn)出更好的催化析氫能力，在電流密度為10mA/cm2和100mA/cm2時(shí)需要的過電勢(shì)分別為108mV和205mV，而且能夠很好的保持其穩(wěn)定性至少55h。另外，我們這種簡(jiǎn)單易得且低廉的設(shè)計(jì)納米材料電極的方法也為進(jìn)一步設(shè)計(jì)其他納