论文部分内容阅读
人类社会的高速发展离不开对各项能源的利用,氢能作为一种理想的高效、清洁、可再生能源,在工业生产、交通运输等方面占据重要地位。因此制氢技术的研究对于社会的进步具有重要作用,电解水制氢以自然界中广泛存在的水作为原料,具有环境友好、无污染、产物纯度高等优势,是未来最具有发展潜力的制氢方法。Pt、Ir等贵金属虽然具有很高效的催化活性,其缺陷也十分明显,成本高昂、储量很低、稳定性较差。铁、镍、钴是地球储量十分丰富的几种过渡金属元素,使用铁、镍、钴基催化剂往往可以得到很好的催化性能,特别是与硼化合生成过渡金属硼化物（TMBs）的时候,催化性能会获得明显提升。本文工作合成了一系列金属硼化物并研究了硼化物在HER和OER中的电催化活性和作用机制,主要内容如下所述;（1）通过实验以NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、NaOH、NaBH4为原料通过简单的化学还原法制取Co10-X-NiX-B,再利用NaH2PO2·H2O在300℃下,低温对其进行磷化来合成Co10-X-NiX-B-P纳米催化剂。通过SEM、TEM、XPS、ICP、XRD、EDS元素映射图像分析等一系列表征,发现采用化学还原法合成Co10-X-NiX-B材料,在通过磷化之后能改善Co10-X-NiX-B的粒子尺寸大小以及表面形貌。化学还原法制备出将近200 nm的Co10-X-NiX-B,再对其进行磷化后,合成出来的Co10-X-NiX-B-P的尺寸仅为70 nm左右,而且磷化后的材料粒径均匀,材料呈现出“花瓣状”的形状,提高了材料的比表面积,有助于催化剂催化活性的提升。所制备的Co10-X-NiX-B-P纳米催化剂材料在HER、OER方面都显示出极好的电催化性能,而且Ni的掺杂量将会影响到Co10-X-NiX-B-P材料的电催化活性,当所制备催化剂材料的为Ni/Co=1.5/8.5(Co8.5-Ni1.5-B-P)时,具备最好的HER和OER催化活性。实验结果表明Co-Ni以及B-P的协同作用将会极大的提升材料的HER和OER催化活性。通过一系列载量对比实验表明,催化剂负载量增加到8μL之后性能改变不大,因此在8μL(0.564 mg cm-2)的催化剂负载量最优。虽然Co10-X-NiX-B在HER方面具有弱催化活性,但是在磷化之后,Co10-X-NiX-B-P表现出优异的HER性能同时OER催化活性也获得提高。（2）以NiCl2·6H2O、FeCl3·6H2O、NaOH、NaBH4为原料通过简单的化学还原法制备Ni10-X-FeX-B纳米催化剂材料。经过SEM、TEM、XPS、ICP、XRD、EDS元素映射图像分析以及电化学测试等一系列表征说明,通过化学还原法将Fe掺杂到了Ni-B的晶格中去,合成出来的Ni10-X-FeX-B纳米催化剂材料的尺寸为50-60 nm左右,材料粒径均匀,材料呈现出多孔的“坑洞”的形状,大大的提高了材料的活性比表面积,有利于催化剂活性的提升。经过一系列的电化学测试结果表明:在1 M KOH的碱性电解液溶液中,Ni10-X-Fe X-B纳米催化剂材料将会拥有远超于贵金属IrO2的电催化活性,当所制备催化剂材料的Ni/Fe=8/2时,即合成的材料是Ni8-Fe2-B纳米材料时,将具备最好的OER催化活性。