二氧化鉬及其復合材料的制備與電催化制氫性能的研究.pdf

1、20世紀以來人類社會進入高速發(fā)展的階段，人口增長，科技創(chuàng)新，使人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。而為了支撐起現代人的日常生活，我們對能源的需求也不斷增大?；剂洗罅繜o節(jié)制的開采與使用雖然滿足了一時的發(fā)展需求，但是長遠來講，其產生的污染則是無法忽視的問題。因此，研究探索新型的清潔能源材料對人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。氫氣是一個良好的能量載體，燃燒后只會產生水，對環(huán)境沒有危害，因此世界各國都將氫氣作為未來的重要能源進行研究。然而作為

2、一種二次能源，想要得到氫氣必須要經過能量轉換的步驟。目前由于引入了化石燃料的使用，工業(yè)化的氫氣制取方式在生產氫氣的過程中會生成大量溫室氣體，因此，尋找新型無污染的制氫方法迫在眉睫。
　　電解水制氫技術是一種高效且無污染的制氫方式，通過電解槽直接將電能轉化為化學能儲存。目前在生產中使用的電極主要是鉑碳類材料，其過電勢小，并且可以達到較大的電流密度。但是由于貴金屬鉑的含量稀少且價格昂貴限制了其大范圍的應用，在這種情況下，尋找新型的電催

3、化制氫材料具有很大的意義。二氧化鉬作為一種具有金屬性的半導體擁有良好的電導率，同時由于其特殊的結構也被廣泛地用于有機催化領域。
　　本論文主要是針對二氧化鉬這一金屬相半導體及其復合物的制備以及它們在電催化制氫領域的應用進行了深入的研究。首先，利用三氧化鉬與鉬粉間的氧化還原反應制備了附載在石墨烯上的二氧化鉬納米顆粒并測試其電催化制氫性能;之后，利用鉬片代替鉬粉在鉬片上直接生長了一層二氧化鉬薄膜，使鉬片作為集流體來進一步提升二氧化鉬的

4、電催化制氫性能;在實驗中發(fā)現二氧化鉬與鉑之間存在“貴金屬——載體間強相互作用”，因此制備了均勻負載鉑的二氧化鉬/碳納米管復合材料，并發(fā)現其展現了優(yōu)異的電催化制氫性能，可以與商用鉑碳電極媲美。通過以上一系列的研究，認為二氧化鉬由于其特殊的性質，在電催化領域具有很大的應用前景。
　　第一章為緒論，文中首先概述電解水制氫技術與氫電極反應的概念和基本原理，然后簡要介紹了氫析出反應催化劑的選擇與其設計和制備原則，接著介紹了近年來這一領域的發(fā)

5、展，以及常見的硫化物、磷化物與復合材料催化劑。最后討論了本論文的研究內容及意義。
　　第二章介紹了一種利用簡單的氧化還原反應機理制備二氧化鉬/還原石墨烯復合物的方法，利用石墨烯的空間限制作用成功控制了二氧化鉬顆粒的尺寸。由于石墨烯與二氧化鉬間的協(xié)同效應，在二氧化鉬和石墨烯本身都沒有優(yōu)異的電催化制氫活性的前提下，制備的二氧化鉬/還原石墨烯復合物展示了優(yōu)良的催化活性，190mV的起始過電勢，塔菲爾斜率達到49mV/dec。除此之外，該

6、材料在酸性和堿性條件下都顯示了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。經過分析認為，這種非同尋常的性能提升可以歸功于復合材料更小的粒徑，更多的活性位點與更好的導電性。
　　第三章報道了不含貴金屬的高效電催化制氫電極:直接生長在鉬片上的磷摻雜二氧化鉬納米顆粒。鉬片作為集流體，得到的電極展示了良好的電催化制氫活性:小的起始過電勢80 mV，達到10 mA cm-2的陰極電流時過電勢為135 mV，塔菲爾斜率為62 mV/dec，優(yōu)于其他的二氧化鉬基的催化材

7、料。另外，經過2000次CV測試之后，發(fā)現這種磷摻雜二氧化鉬薄膜/鉬片電極具有很好的酸性穩(wěn)定性。這種新穎的直接在鉬片上生長磷摻雜二氧化鉬的方法得到了一種高效的HER催化劑，拓展了合成不含貴金屬、高效、低廉并且環(huán)境友好的HER催化劑的視野。
　　第四章中，綜合了鉑、二氧化鉬以及碳納米管的特性，制備出一種超低鉑含量的復合材料作為高效的電催化產氫催化劑，同時在酸性介質中體現了良好的穩(wěn)定性。這種鉑-二氧化鉬-碳納米管的復合材料由簡單的氧化

8、還原反應制備得到，同時顯示出卓越的電催化活性和良好的穩(wěn)定性，它展現出了幾乎為0的起始過電勢，43mV/dec的塔菲爾斜率，以及在過電勢為60 mV和84mV時達到10 mA cm-2和20 mA cm-2的法拉第電流密度。由于二氧化鉬與鉑之間的強作用力以及較高的電導率，這種鉑-二氧化鉬-碳納米管的復合材料的電催化產氫效率和穩(wěn)定性要優(yōu)于商用的鉑碳電催化劑。引人注目的是，如此高的催化活性和增強的穩(wěn)定性僅僅是由含有0.5 wt％鉑的復合催化劑