基于過渡金屬電解水催化劑的制備及性能研究.pdf

1、當今社會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關于開發(fā)地球上存儲豐富的能源替代物以及設計高效的能源存儲裝置的變革。氫氣是一種十分重要的能源，它不僅是碳氫化合物燃料產(chǎn)品和化學產(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，因而它也被認為是可持續(xù)的能源存儲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（Hydrogen evolution reaction）是水分解的主要反應之一，被認為是大規(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巨大因而無法大規(guī)模推廣。從近年來關于電化學水解產(chǎn)生氫氣的研究進展中發(fā)現(xiàn)，納米結構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，設計制備便宜的、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)實意義的。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用原位生長的方法以商業(yè)化碳布為基底在表面生長三氧化鎢納米棒陣列（WO3 NA/CC），進一步氮化得到氮化鎢納米棒陣列（WNNA/CC）。以導電的碳布為基底可以增加電子傳輸，生長在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。另外，氮化鎢的優(yōu)良的機械性能和熱穩(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時需要過電勢為190mV，并且能夠保持其催化活性至少60h。同時，本工作中的這種設計納米材料電極的方式為接下來設計其它基于過渡金屬的氮化物開拓了新途徑。⑵采用簡單的一步水熱法在酸刻蝕處理的鈦片上原位生長二硫化鉬納米片陣列（MoS2NAs/Ti）。由于濃酸對鈦片進行刻蝕處理后表面成為三維結構，原位生長二硫化鉬納米片時增

5、大了材料的接觸面積進而暴露出更多的催化活性位點。而且以金屬鈦作為基底不僅可以增加材料和電解液間電子的傳輸，還能增加材料的機械穩(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時需要的過電勢分別為108mV和205mV，而且能夠很好的保持其穩(wěn)定性至少55h。另外，我們這種簡單易得且低廉的設計納米材料電極的方法也為進一步設計其他納