半導(dǎo)體納米材料的制備及其電催化析氫性能的研究.pdf

1、氫能，作為一種高效、清潔、理想的可再生能源，具有資源豐富、易儲存、能量密度高、燃燒產(chǎn)物無污染等眾多突出的優(yōu)點。隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題的日益嚴(yán)重，發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為全球的共識。氫能作為一種綠色可再生能源，越來越受到人們的關(guān)注。在目前的眾多制氫技術(shù)中，電解水制氫因其具有操作簡便、成本低廉和無污染等優(yōu)點，被認(rèn)為是一種最具有潛力的制氫途徑。而發(fā)展過電位較低的析氫材料以降低能耗是電解水發(fā)展的關(guān)鍵。高效的析氫電極材料應(yīng)具有導(dǎo)電性好、比表面

2、積大、析氫過電位低、電催化活性高、電化學(xué)穩(wěn)定性好以及抗腐蝕性強(qiáng)等特點。目前，鉑族類金屬是最好的電催化析氫材料，但其稀缺性和昂貴的成本嚴(yán)重制約了它們的商業(yè)應(yīng)用，因此研究和開發(fā)新的、成本低廉的、催化活性高的電催化劑成為當(dāng)務(wù)之急。
　　本論文研究的目的是制備催化析氫性能優(yōu)異的電催化劑，并探究其電催化析氫性能。取得的研究成果如下:(1)本文報道了一種簡易的一步制備Fe2P/氮摻雜石墨烯(Fe2P/NGr)復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，并探究了該復(fù)合結(jié)構(gòu)

3、的催化析氫性能。結(jié)果表明這種復(fù)合結(jié)構(gòu)具有很好的形貌結(jié)構(gòu)特征，其中氮摻雜石墨烯為層狀結(jié)構(gòu)，層數(shù)少于10層，F(xiàn)e2P納米顆粒直徑非常小，且均勻附著在氮摻雜石墨烯上。該復(fù)合結(jié)構(gòu)在酸性和堿性溶液中都有很高的催化析氫活性，當(dāng)電流密度為20 mA cm-2時，在酸性和堿性溶液中的過電位分別為164和376 mV，且在兩種溶液中電催化析氫性能都很穩(wěn)定。本文通過測試純相Fe2P納米顆粒和純相氮摻雜石墨烯(NGr）的催化析氫性能的對比實驗證實了Fe2P/

4、NGr復(fù)合結(jié)構(gòu)的催化析氫活性物質(zhì)為Fe2P納米顆粒，同時氮摻雜石墨烯的存在有利于加快電子在電極間的傳輸，從而提高復(fù)合材料的催化活性。本文還通過溫度改變的對比實驗證實了溫度對該復(fù)合材料催化析氫活性的影響主要是體現(xiàn)在對Fe2P納米顆粒的物相純度和顆粒尺寸的改變上。(2)通過兩步溶劑熱反應(yīng)制備了催化劑Co9S8納米管，該催化劑呈發(fā)散的納米管狀結(jié)構(gòu)，納米管由眾多細(xì)小的納米顆粒組成。該結(jié)構(gòu)在堿性條件下電催化制氫性能優(yōu)異，在電流密度為20 mA c

5、m-2時，過電位為320mV，且能穩(wěn)定催化析氫，該實驗結(jié)果表明其它金屬硫化物在電催化水分解析氫方面也可能有潛在應(yīng)用。(3)通過水熱反應(yīng)和低溫磷化反應(yīng)制備了以碳紙為載體的FeP納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)(FeP/Carbon Paper，F(xiàn)eP/CP)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)形貌很好，其中FeP均勻負(fù)載在碳紙上，為長度約幾百納米的納米線結(jié)構(gòu)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)電催化析氫性能優(yōu)異，當(dāng)電流密度為20 mA cm-2時過電位為89 mV，過電位數(shù)值比當(dāng)前報道的大多數(shù)催化劑在相