硫化钴及其复合材料的可控制备与电催化性能研究

• 作 者: 马肖雅
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 硫化钴 可控合成 复合材料 氢析出反应 氧析出反应 电解水

近年来,能源危机和环境污染成为限制人类社会发展的两大难题,因此迫切需要发展新型可持续能源。氢能由于具备高效能、无污染、可持续的优点被誉为世界上最干净的能源。电解水是一种装置简单、条件温和的制氢手段,具有良好的应用前景。电解水包括两个半反应:阴极上的析氢反应（HER）和阳极上的析氧反应（OER）。但水分解过程中存在动力学缓慢、过电位较大、耗能大等缺点。催化剂的加入可以加快反应动力学、降低过电位,大幅提升气体析出速率和产量。目前,铂基材料和贵金属氧化物（IrO₂,RuO₂）分别是HER和OER最好的催化剂,但高昂的价格限制了贵金属材料的大范围使用。因此研究储量丰富、价格便宜、催化活性高、稳定性好的非贵金属双功能电解水催化材料具有极其重要的科学意义和实用价值。硫化钴及其复合材料由于具有价格低廉、活性较高、环境友好等优点而备受关注。本文先采用简单的一步水热法,通过改变反应条件可控制备出不同物相的硫化钴纳米空心球（Co₉S₈ HNSs、Co₃S₄ HNSs、CoS₂ HNSs）,并对其物相形成机理以及不同物相的电解水催化性能进行探究。结果显示,CoS₂空心球因具有最多的八面体结合Coⁿ⁺（n=2,3）、最高的比表面积、最丰富的硫元素而表现出最好的OER和HER催化性能。其次,我们通过水热法制备出了氮掺杂石墨烯上均匀负载CoS₂纳米颗粒复合材料（N-GP@CoS₂）。氮掺杂石墨烯作为基底可以提供导电网络通道,且与CoS₂纳米颗粒之间存在着相互协同作用,从而促进电化学性能的提升。我们探究了该复合材料的OER、HER和全电解水催化能力,均表现出较为优异的性能。其OER和HER达到10 mA cm^-2的过电位分别仅为243 mV和204 mV,并且具有非常好的稳定性。将其组装成电解水装置,在60℃下达到10 mA cm^-2的电压低至1.53 V,并且具有将近100%的法拉第效率。