基于氮化钒催化剂的结构调控及其析氢反应的性能研究

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随着我国经济社会的快速发展,能源需求量越来越大,环境问题也越来越严重,高清洁新能源燃料的开发与利用可以有效缓解能源危机和环境污染问题,是科学技术的一次新探索,是研究者智慧与创新的展现,更将是人类文明进程中的一场重要变革。氢能,一种资源丰富、来源多样、热值高、可储存、可再生、清洁无污染等新能源。而在氢能的大力推广使用中,储运是氢能应用的核心保障。目前,电解水制备氢气是最具备发展潜力的氢气的存储和转化手段。而电催化剂在电解水制备氢气的过程在扮演着举足轻重的角色,直接影响着整个反应的进程。铂基材料在电解水制备氢气过程中有着优越的表现,但由于其价格昂贵,地球上资源稀缺,从而无法大力使用。所以,就需要寻求一种资源丰富,价格低廉,循环使用寿命长,对环境友好无害的高效催化剂,从而提高电解水制备氢气在未来的发展。由此,研究和开发具备高效催化效果的非贵金属的催化剂成为了电解水制备氢气的工作重点。因而本论文探究了过渡金属氮化钒在析氢反应中的表现,具体研究内容如下:(1).以多钒酸铵(NH42V3O8和NH4VO3的混合物当作前驱物,我们成功的制备出了一种三维多孔氮化钒(VN-720)八面体结构,它是通过煅烧处理方法制备的。该VN-720催化剂显示出了良好的电催化活性,在10 mA cm-2下具有94.0 mV的较小超电势,相应的低Tafel斜率值为54.6 mV dec-1,在酸性介质中的稳定性高达80h,这比许多报道了的氮化物的性能表现更为优越。此外,VN-720卓越的催化性能可归因于其多孔的结构特征和氮化物本身的类铂性质。而且值得一提的是,产物氮化钒八面体保留了前驱物尺寸均一,形貌整齐等特性,而且形成了多孔的特征,从而增大了比表面积,增加了活性位点的数目,这些性质对于在电化学性能测试中的优越表现都是十分重要的。(2).以双金属碱式氢氧化物Zn3(OH)2(V2O7)(H2O)2为前驱体,首次成功的制备出了三维多孔氮化钒(VN-650)纳米筛。前驱物是很薄的纳米片,然后通过在氨气的氛围中在一定的温度下煅烧得到二维的VN-650纳米筛。VN-650纳米筛表现出了优越的析氢反应(HER)的活性,包括低的在10 mA cm-2下的90.0 mV的超电势,对应的低Tafel斜率为47.7 mV dec-1以及良好的循环稳定性。该方案也是通过制备均一多孔的材料,从而增大材料的比表面积来提高催化剂的活性。总的来说,二维多孔的VN-650纳米筛和三维多孔的VN-720八面体的制备方法都是简单易操作,成本都很低,且都在析氢反应中展现出了良好的催化活性。
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