氢气气泡法电沉积制备多孔金属磷化物合金及其电解水性能的研究

发布时间：2020-04-01 19:26

【摘要】：电分解水为我们提供了一个至关重要的生产和储备纯净氢气能源的可行性方式。寻求一个高效、稳定、廉价的催化剂来促进电分解水是目前电催化领域的研究热点之一。近年来,过渡金属磷化物(TMPs)作为一种储量丰富、成本廉价的电催化剂,广泛应用于析氢反应(HER)、析氧反应(OER)和其他能量转换反应的研究中。目前TMPs制备方法主要有水热法、电沉积以及高温反应法等。然而具有实际应用价值的电沉积法很难制备具有较大电活性面积的多孔金属磷化物材料。本论文通过氢气气泡模板法,研究制备了一系列一元、二元和三元多孔金属磷化物,研究了其电催化分解水的催化活性,并探讨了金属磷化物中多元金属间的协同作用。为了获得多孔金属磷化物,我们以镍网(NM)作为基板,通过氢气泡模板法制备了三元金属镍铁钴磷(NiFeCoP/NM)催化剂。作为对比,在相同条件制备还制备了一元金属磷化物(镍磷、铁磷、钴磷)和二元金属磷化物(镍钴磷、铁钴磷)催化剂。通过SEM、EDX、XRD和XPS对制备的催化剂进行表征,结果表明制得的一系列微米级多孔结构金属磷化物均为无定形结构。NiFeCoP镀层厚度为～20 μm,孔深度为3-15μm,孔径为3-20 μm。通过线性扫描伏安法(LSV)测定所制备电极的电催化析氢性能。发现电流密度为10 mAcm-2时,NiFeCoP/NM电催化析氢过电势仅为33 mV,相比一元和二元金属磷化物材料降低很多。同时发现,三元NiFeCoP/NM具有高效的电催化析氧能力。在电流密度为10 mA cm-2时,其电催化析氧过电势为279 mV。低的催化析氢、析氧过电势表明三元NiFeCoP/NM复合材料高的电催化析氢、析氧活性。进而,以NiFeCoP/NM电极作为双功能电极进行电解水,在电流密度为10和50mAcm-2,其分解电压分别为1.64V和1.87V,证明其具有良好的全分解水电催化能力。同时,我们也发现三元NiFeCoP/NM复合材料在不同浓度碱性水溶液中具有良好的电催化稳定性。ECSA计算结果表明,三元NiFeCoP/NM复合电极具有更大的电化学活性面积(30.0 cm2)。为了理解多元材料在HER中的本征活性,而通过对其HER过程的LSV曲线进行ECSA归一化处理后,我们发现三元NiFeCoP/NM复合电极的高催化活性,不仅归因于其大的电化学活性面积,而且材料中多元金属间协同作用作出了较大的贡献。同时,我们发现本征催化活性最高的复合材料为二元NiFeP/NM。由于二元NiFeP的本征催化活性最好。为了提高NiFeP的电化学活性面积并增强其电催化活性,以镍网(NM)作为基板,利用氢气气泡法,通过对镍铁比例、沉积电流、沉积时间等参数进行优化,电沉积制备较大比表面积的NiFeP/NM催化剂。结果表明,当镀层中镍铁摩尔比为1:3.6,沉积电流为1.2A,沉积时间为60s时,获得了厚度约20 μm,孔径大小为3-18 μm,孔的深度为4-15 μm的微米级多孔结构的无定形的Ni2.5Fe9P/NM复合材料。通过LSV技术对二元NiFeP/NM电极进行电催化析氢、析氧活性测定。在1.0M碱液中,电流密度为10mAcm2时,NiFeP/NM电极催化析氢反应过电势为69 mV,对应塔菲尔斜率为104.78 mV dec-1,电催化析氧反应的过电势达到为282 mV。该材料在长期析氢、析氧过程,稳定性较好。NiFeP/NM ‖ NiFeP/NM双电极电解水测试中同样发现其较低的电解电压且及优异的稳定性。通过循环伏安(CV)技术测试并计算了所制备二元NiFeP/NM材料的电化学双层电容(CDL)以及电化学活性面积ECSA)。其CDL为0.96mFcm-2,ECSA为24.0 cm2。对材料析氢过电势归一化处理发现,析氢活性的改善主要是源于电极材料的本征催化活性以及ECSA。
【图文】：

图２－１镍网的图片逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋ｔｈｅ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｎｉ邋ｍｅｓｈ逡逑

Ｆｉｇ．邋３－２邋ｔｈｅ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋（ａ）邋ＮｉＦｅＣｏＰ，邋（ｂ）邋ｔｈｅ邋ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ邋ＳＥＭ邋ｏｆ邋ＮｉＦｅＣｏＰ，邋（ｃ）邋ｔｈｅ邋ＴＥＭ逡逑ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ＮｉＦｅＣｏＰ，，邋（ｄ）邋ｔｈｅ邋ＨＲ－ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ＮｉＦｅＣｏＰ逡逑图３－１所示为处理后的商业镍网的低倍ＳＥＭ微观照片，通过扫描电镜图片能逡逑够清晰看出基板材料金属镍网具有光滑银白色的表面，且其形貌为编织状网丝骨逡逑１８逡逑
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB383

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本文编号：2610857