碳布负载过渡金属化合物的制备及其在电解水中的应用

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由于能源需求日益增长,以及人们对环境日益重视,绿色可再生能源的发展正得到越来越多的关注。氢气作为一种高能量密度的清洁能源载体,是一种极具前景的化石燃料的替代品。通过电解水能够方便地制得氢气,然而水的电解需要有高活性的电催化剂。贵金属及其氧化物被认为是析氢反应(HER)和析氧反应(OER)最佳的电催化剂,但是由于贵金属元素的稀缺性和高成本限制了其规模化应用。近年来,储量丰富的非贵金属化合物作为新型的电解水催化剂有望在成为贵金属的替代品。研究表明,两种过渡金属化合物相结合,因其电催化协同作用或是电荷的重新分布等原因,能够提升催化剂的电催化性能。碳布是一种三维导电性基底,能够为催化剂提供较强的粘附力和较小的界面阻抗,这都有利于提升催化剂的电催化活性。此外,碳布还是一种柔性的基底,其上能负载催化剂成为一种柔性电极,十分有利于便携式产氢装置的发展。本研究采取两步法来在碳布上负载CoS2/CoP或NiS/Ni2P杂化材料,首先在碳布上进行水热反应得到前驱体物质,然后再经过磷化和硫化得到CoS2/CoP或NiS/Ni2P杂化材料。对该杂化材料形貌、结构进行了系统的研究和表征,并探索了其结构与电催化性能之间的关系。(1)以碳布纤维为基底,通过水热法和化学气相沉积法制备了CoS2/CoP/CC杂化材料,尖簇状的CoS2/CoP锥体垂直取向生长在碳布纤维表面,而且具有高结晶性。将该杂化材料直接用作工作电极,在碱性电解液中的电催化测试结果表明,CoS2/CoP/CC杂化材料同时具有较好的HER活性和OER活性,在碱液中析氢和析氧反应的过电位分别仅为90和334 mV,Tafel斜率分别仅为91.2 mV dec-1和105.7 mV dec-1。研究认为NiS/Ni2P/CC杂化材料电荷的重新分布是其催化活性提高的重要原因。(2)在碳布上首先进行水热反应,制得含Ni的前驱体物质,再经过磷化和硫化制备NiS/Ni2P/CC杂化材料。形貌研究发现在碳布纤维上垂直生长着直径较大的纳米片,片上同时负载着混合的NiS和Ni2P,均具有高结晶性。电化学测试结果表明,NiS/Ni2P/CC杂化材料同时具有较优的析氢性能和析氧性能,其析氢反应的过电位仅为91 mV,Tafel斜率约为103.9 mV dec-1。磷化和硫化使得纳米片暴露出更多的活性位点,从而具有催化活性。此外,NiS和Ni2P杂化结构的形成产生了能聚集大量电荷的Ni活性位点,这是催化活性提高的另一因素。
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