磷化钴的制备及其电解水制氢催化性能的研究

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为解决全球的能源危机和当前的环境问题,电解水制氢是一种极为有效的方法。目前Pt仍然是最好的氢析出反应(HER)的催化剂,但其储量有限和价格昂贵导致大规模的应用受阻,因此开发出新型的、较低的析氢过电位的非贵金属催化剂迫在眉睫。  本文通过不同的制备方法合成出结构新颖、性能优异的磷化钴纳米棒(Co2PNR)和磷化钴纳米线(CoP NW),并研究其形貌结构和析氢性能,得到如下的研究结果:  (1)利用有机膦溶剂热法合成出的磷化钴纳米棒(Co2P NR),具有很好的析氢反应的电催化活性。在酸性溶液中电流密度为20 mA cm-2处的过电位(η20)为167 mV,Tafel斜率为51.7 mV dec-1,析氢反应过程符合Volmer-Heyrovsky反应机理;在碱性溶液中,η20值为171 mV。通过长时间稳定性测试可知Co2P NR在酸性和碱性溶液中均具有很好的稳定性。与典型高效的非贵金属析氢催化剂相比,此催化剂有希望在制氢领域得到应用。  (2)通过对有机膦溶剂热法的系统研究,讨论了反应温度、保温时间、钴源、溶剂等四个因素对性能和形貌的影响。最终选用廉价的三苯基磷(TPP)替换昂贵的TOP,节约了成本;用醋酸钴替换乙酰丙酮钴,给有机磷溶剂热法合成过渡金属磷化物提供了参考。  (3)为了获得更低的析氢过电位,设计并合成出具有较大比表面积的磷化钴纳米线(CoP NW)。CoP NW通过水热反应和次亚磷酸钠低温磷化合成出负载在碳纸表面的磷化钴纳米线。CoP NWs/CFP的长度大于40 um,宽度在200-300nm。在酸性溶液中起始电位为40 mV,η20仅为90 mV, Tafel斜率为61.6mVdec-1。CoP NW/CFP在酸性溶液中具有极佳的稳定性。与已报道的非贵金属析氢催化剂相比,此催化剂有着令人兴奋地应用前景。
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