论文部分内容阅读
能源与环境问题是人类社会可持续发展的两个重要主题。当前,随着人口的急剧增长和社会的高速发展,因消耗化石能源导致的环境污染问题变得的愈加严重,寻求新型高效环保的可再生能源迫在眉睫。氢能作为一种储量丰富、清洁高效、可持续的能源,应用潜力巨大,有望解决目前的能源危机和环境污染问题,开发高效、价格低廉的产氢技术具有重大的科学和应用价值。电解水析氢被认为是最具发展前景的制氢方法之一,但传统使用的Pt系贵金属电极催化剂因其产量不足、价格昂贵等条件的限制,严重制约了电解水制氢技术的发展。因此,开发出储量丰富、价格低廉、易于制备并具有良好催化活性的催化剂成为世界各国学者的一个重点研究课题。近几年来,过渡金属化合物因其储量丰富、可调控性强、催化活性高等优点成为重要的电催化领域研究的体系。本课题以三维过渡金属泡沫材料（铁钴镍）为基体,利用大气压介质阻挡放电等离子体和水热法在其表面构建纳米过渡金属硫磷化物,研究制备条件与纳米晶体物化结构和其析氢（HER）析氧（OER）活性及稳定性之间的内在关联性,探究出影响过渡金属硫磷化物电催化催化活性的关键因素,具体研究内容如下:（1）以镍泡沫（NF）为基体,通过水热合成镍铜层状氢氧化物（NiCu LDH/NF）,然后通过化学气相沉积法制备了Ni1.8Cu0.2-P/NF异质结纳米磷化物晶片。有关分析表明,Ni1.8Cu0.2-P晶片的厚度约为12纳米,且多孔的晶片交叉分布在泡沫表面,该构造大大提高了催化材料的活性反应面积及电催化稳定性。在1 M KOH溶液电解液中,在电流密度为10 mA cm-2时,Ni1.8Cu0.2-P/NF的过电位仅为78 mV,析氢量可达到1.91 mmol h-1,法拉利效率接近100%,明显优于许多最近报道的过渡金属电极材料的析氢活性和效率。此外,Ni1.8Cu0.2-P/NF同样表现出非常强的电化学稳定性,经过循环10000圈和连续30小时测试后其物化结构基本没有发生本质改变,工业应用潜力巨大。（2）利用大气压介质阻挡放电（DBD）等离子体对镍铁钴泡沫（NFCF）进行表面预处理（PNFCF）,使得材料表面产生高度细化,并在表面同步形成NiO、Fe2O3、Co3O4微纳构造,推动后续OER反应速率。最终通过一步原位硫化法在PNFCF表面原位制备出Ni3S2-FeS-CoS三相纳米复合催化材料。基于具有较大比表面积、快速电子传输速率及原位生长特性,Ni3S2-FeS-CoS/PNFCF体现出优良的电催化性能和稳定性。当电流密度为10 mA cm-2时,析氢和析氧的过电位仅分别为82 mV和170 mV,且析氢析氧量分别为0.78和0.68 mmol h-1 cm-2。尤其需要说明的是:在1 M KOH电解液中,测试电流密度为10 mA cm-2时,经历50 h测试后,该电催化剂的HER和OER的电流密度均为发生大的偏差,表明了Ni3S2-FeS-CoS/PNFCF电极材料非常强的电极稳定性。