镍基合金气凝胶的制备及其电化学析氢性能的研究

• 作 者: 陈建洄
• 出 处: 浙江大学
• 发表日期: 2020年08期
• 关键词: 溶胶凝胶法 Ni基合金气凝胶 氧化石墨烯 电解水 析氢反应

Pt是目前析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction,HER）中最有效催化剂,但是其高昂的成本和稀缺性限制了它的广泛应用。研究者们一直在努力寻找类Pt基催化剂,包括金属的氧化物/硫化物/磷化物催化剂、碳基催化剂,以及采用廉价金属的合金催化剂等。本论文聚焦具有大比表面积、高孔隙率和低密度等特性的气凝胶结构,以地壳中含量丰富的过渡族金属Ni作为研究对象,制备了具有高催化活性、良好长循环稳定性以及低成本的Ni基合金气凝胶作为电解水析氢反应催化剂。通过调控金属前驱体的配比和合成工艺等优化电催化剂的成分和微观结构,提升催化剂活性。具体的研究内容如下:（1）采用具有强还原性的NaBH₄作为促凝剂,以六水合氯化镍和六水合氯化钴为前驱体,并添加适量的单层氧化石墨烯,制备了Co-Ni-还原氧化石墨烯（Co₂Ni-rGO）复合气凝胶。该方法在原位合成多孔双金属合金气凝胶网络的同时,还成功地在此网络中引入了还原的氧化石墨烯（rGO）。rGO的引入调控了Co₂Ni气凝胶样品的孔结构,增加了气凝胶的比表面积,使得催化活性位点更充分暴露,还提高了复合气凝胶的电荷转移能力,进而确保了良好的HER催化活性。经过优化的复合气凝胶具有较低的析氢过电位(143 mV@10 mA cm^-2),较小的Tafel斜率(85 mV dec^-1)和优良的稳定性（24小时的长循环之后的活性损失可忽略）。（2）首次通过添加环氧丙烷溶胶-凝胶法结合乙醇高温超临界干燥的工艺直接合成了Ni-Ru合金气凝胶。发现Ru的引入不仅能够提供反应活性位点,还能调节纳米颗粒尺寸以增加气凝胶的比表面积并调节孔结构,从而提升电催化活性。通过改变前驱体成分配比,获得了不同Ru掺杂比例的合金气凝胶样品。在10mA cm^-2的电流密度下,Ni₉₅Ru₅合金气凝胶的过电位为77 mV,Tafel斜率为62mV dec^-1,略优于商用5%Ru/C催化剂(过电位为93 mV、Tafel斜率为65 mV dec^-1)。随着Ru掺杂量的增加,Ni₉₀Ru₁₀合金气凝胶的催化性能可以进一步提升至接近商用10%Pt/C催化剂的水平,在10 mA cm^-2的电流密度下的过电位为42mV,Tafel斜率为45 mV dec^-1。