二硫化钼基复合电极的制备与电催化水分解性能研究

发布时间：2020-05-01 23:52

【摘要】：随着传统化石燃料的逐步消耗,能源短缺和环境污染问题变得日益严峻。因此,发展经济高效和可持续的绿色能源显得尤为迫切。氢能具有高能量转换效率、清洁可再生等优点,被认为是一种非常有应用潜力的理想绿色能源,而电催化分解水是非常有效的产氢方式之一。目前,析氢反应(HER)和析氧反应(OER)性能最好的催化剂仍然是一些铂基金属和铱、钌金属氧化物等贵金属材料,但是它们稀缺的储量、高昂的成本以及较差的稳定性严重制约了其大规模商业化应用。因此,大多数的研究者们将目光聚焦在寻找和制备价格低廉、高效稳定以及无污染的非贵金属催化剂材料上。二硫化钼(MoS_2)因其储量大、催化性能较好和对环境友好等的特点而被广泛研究。但是,其在碱性条件下的催化析氢和析氧性能还有待提高。因此,本论文从杂原子掺杂、耦合界面入手,构筑了系列MoS_2基电催化剂,对其电催化水分解性能进行了详细系统的研究。主要研究内容与实验结果如下:1.采用温和的一步水热法在3D泡沫镍基体上制备出钨掺杂的MoS_2@Ni_3S_2(Mo_((1-x))W_xS_2@Ni_3S_2)杂化电极,并系统地考察了该电极的电催化HER和OER性能。结果表明所制备的Mo_((1-x))W_xS_2@Ni_3S_2杂化电极只需98和285 mV的HER和OER过电位即可达到10 mA cm~(-2)的电流密度,其水分解电压也只有1.62 V。该电极优异的电催化性能可归结于W的掺杂有效地调控了MoS_2的电子结构。因此,Mo_((1-x))W_xS_2@Ni_3S_2电极的成功制备为设计高效稳定的全水分解双功能催化剂提供了新的研究思路。2.通过水热与溶剂热法相结合的技术制备出NiOOH修饰的MoS_2@Ni_3S_2(MoS_2@Ni_3S_2 NWs-NF/NiOOH)杂化电极,并将其应用于电催化水分解领域中。实验结果表明NiOOH与MoS_2@Ni_3S_2的复合有利于电极材料导电性的提高,二者的协同作用明显地提高了电极催化活性。在电流密度为10 m A cm~(-2)时,MoS_2@Ni_3S_2 NWs-NF/NiOOH电极的HER和OER过电位分别为101和266 mV,全水分解电压则为1.60 V。此实验为设计与制备高性能的双功能电催化剂提供了新的方向。3.利用水热法与恒电流电沉积相结合的技术合成出FeOOH修饰的MoS_2@Ni_3S_2(MoS_2@Ni_3S_2 NWs-NF/FeOOH)杂化电极,并系统地研究了该复合电极的电催化性质。实验结果表明,在电流密度为10 mA cm~(-2)时,MoS_2@Ni_3S_2NWs-NF/Fe OOH电极的HER和OER过电位分别为95和234 mV,全水分解电压也仅有1.57 V。此外,密度泛函理论(DFT)计算表明耦合界面的存在有效地优化了H和含氧中间体的化学吸附能,促进了HER和OER过程。因此,这项工作标志着在开发具有高成本效益的全水分解催化材料方面迈出了重要的一步。
【图文】：

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图 1-1 电解水示意图。Figure 1-1. Schematic diagram of electrochemical water splitting.性条件下，电分解水的 HER 和 OER 过程分别为：阴极反应(还原)：2H+(aq) + 2e-→ H2(g) 阳极反应(氧化)：2H2O(l) →O2(g) + 4H+(aq) + 4e-性条件下，电分解水的 HER 和 OER 过程则分别为：阴极反应(还原)：2H2O(l) + 2e-→ H2(g) + 2OH-(aq) 阳极反应(氧化)：4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4e-应为：2H2O(l) → H2(g) + O2(g) 应的标准摩尔吉布斯自由能 ΔG=237.2 kJ mol-1，由公式(1-6)可FE (n 为水分解反应转移电子摩尔数，法拉第常量 F=96485.3的理论电压为 1.23 V。然而，实际的电解水过程中不仅有电阻

碱性溶液,过电位,酸性,电流密度

兰州大学硕士学位论文二硫化钼基复合电极的制备与电催化水分解性能研究具备储量丰富，，性能较好和高稳定性等特点，且现实中电解水设备采用的仍是碱性溶液[7]。因此，发展经济适用的，高活性和高稳定性的 HER 和 OER 电催化剂应用于碱性电解液中的全水分解是非常必要的。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.21

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