层状过渡金属硒化物及其复合物的制备与电催化析氢性能的研究

发布时间：2020-04-23 21:18

【摘要】：氢气被认为是一种非常有前景的可再生能源,有望能满足日益增长的能源需求以及缓和因传统化石燃料的过度消耗而引起的环境问题。作为最有效的持续生产氢气的方式,电解水被认为是燃料电池和太阳能水电解槽等几个清洁能源技术的核心。而电解水技术的关键问题是如何获得高效且廉价的电极催化剂。最近几年,纳米材料被认为是良好的电催化析氢的催化剂,尤其是纳米结构的过渡金属磷化物和层状过渡金属硫化物。本论文中,我们合成了CoP/WSe_2和CoP/MoSe_2这两种复合纳米催化剂,并对其电化学析氢性能进行了系统的测试。测试表明,复合催化剂的电催化性能提高非常明显,为进一步的催化剂的开发提供了很好的思路。本文的主要研究结果如下:(1)在第一部分,我们合成了质量比不同的CoP/WSe_2复合物,并通过XRD、SEM、TEM、XPS等表征手段对复合物的形貌和价态进行了表征。通过系统的电化学测试,我们对复合物的电催化活性进行了评估。实验结果表明,所有的复合物的催化活性都比复合前的CoP纳米颗粒和WSe_2纳米片的更高,这表明这两者之间具有一定的协同作用。在0.5 M H_2SO_4中,当CoP与WSe_2质量比为1:1时,复合物的电流密度最大,在过电势为300 mV时,电流密度达到102.9 mA/cm~2,并表现出非常优良的稳定性。(2)在第二部分,我们简单地将CoP纳米颗粒与MoSe_2纳米片按不同的质量混合超声,制备出一系列的CoP/MoSe_2复合纳米催化剂,并对其形貌、价态进行了测试。进一步的电化学表明,复合物的电催化析氢性能都有所提高,其中催化性能最好的是质量比3:1(CoP:MoSe_2)时的复合物CoP/MoSe_2-3。CoP/MoSe_2-3表现出非常优秀的电催化析氢性能,在过电势为300 mV时,电流密度达到155.14mA/cm~2,远远高于未负载的CoP纳米颗粒与MoSe_2纳米片。除此之外,CoP/MoSe_2-3还表现出非常优良的稳定性,是非常优秀廉价的电化学析氢催化剂。
【图文】：

天津大学硕士学位论文4图1-1 电解池析氢示意图Figure 1-1 Schematic diagram of electrolytic tank for hydrogen electrolysis基于各类催化材料上析氢反应的实验数据和研究结果，对于电化学析氢反应的机理，研究人员提出了以下机理解释：第一步，吸附反应，形成吸附在电极表面的氢原子（Volmer 反应）酸性介质： H3O++e+M→M-Hads+H2O，碱性介质： H2O+e+M→M-Hads+OH ；式中：M 为阴极催化剂；M-Hads为阴极催化剂表面形成的吸附氢原子。第二步，脱附反应，在施加电流作用下，吸附氢原子发生电化学托付反应或复合脱附反应，生成氢气（Heyrovsky反应或Tafel反应）通常是（1）化学脱附（Heyrovsky 反应）：在阴极活性层表面，由另一个H3O+在M-Hads位置上放电生成 H2。酸性介质： M-Hads+H3O++e →M+H2+H2O中/碱性介质： M-Hads+H2O++e →M+H2+OH 或（2）复合脱附（Tafel 反应）：在阴极活性表面

第一章 文献综述派的研究者们则认为电化学脱附步骤为速控步；复合理论的信步骤为速控步。者们对于脱附反应的反应速率各执一词，电催化析氢反应的第表面吸附的活性氢原子，并形成反应中间体M-Hads，然后再发生氢气。因此，，在催化过程中，M-Hads结合能对催化剂催化效果ds结合能越强，吸附反应（Volmer 反应）的反应速度越快，同yrovsky 反应或Tafel 反应）需要克服的活化能将会增加，反应速率下降，反之亦然。因此，只有在M-Hads结合能强度适中时率才能达到最大。这种氢电极活性与M-Hads结合能之间的关系山型效应”[9]。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ116.2;O643.36

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本文编号：2638152