二维材料硫掺杂硒化钼的设计合成及其电催化析氢研究

发布时间：2020-06-23 02:41

【摘要】：进入21世纪以来,地球能源危机日益严重,开发新型能源来缓解化石燃料的巨大消耗带来的危机成为当务之急。氢能作为一种可再生清洁能源载体受到了人们的广泛关注,但是目前大规模制备氢气的手段主要包括化石燃料的裂解,这种制氢方法在得到氢气的同时消耗了大量的化石燃料并伴随多种污染性气体的生成。析氢反应作为一种高效无污染的制氢方法得到了人们的重视,在析氢反应中,虽然金属铂(Pt)和其他贵金属催化材料在酸性介质中表现出了非常优越的催化活性,但其稀缺性和高成本严重限制了大规模的能源转化应用。所以开发新的地球储量丰富的电催化剂十分重要。本文主要研究了二维(2D)层状过渡金属硫族化合物MX_2(M=Mo、W,X=S、Se)半导体材料催化材料。研究利用液相剥离和水热的方法合成了2H相的MoS_(2x)Se_(2(1-x))纳米片,通过改变硫族元素比例从而调整材料电子结构提升了MoS_(2x)Se_(2(1-x))纳米片导电性能,降低催化反应所需的电能消耗,并且通过改变水热反应的温度,优化MoS_(2X)Se_2(1-X)纳米片的无序度,产生了更有效的材料活性位点,提高了材料内部的电子迁移率,大大的提升了MoS_(2x)Se_(2(1-x))纳米片的催化性能。另外,通过将固相沉积合成的纳米片通过一种乙醇水溶剂诱导其转化为高质量的纳米卷结构,纳米卷结构引入的弯曲应变能够促使更多活性位点得到更加有效的暴露,同时其弯曲的基平面能够有效激发惰性表面的活性位点,协同增强了催化活性,说明应力应变也是调控二维材料催化活性的重要因素之一。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【图文】：

工程是将稳态的半导体 2H 相转化为亚稳态的金属 1T 相，这可以显著提高 MX材料的电催化活性，使其与贵金属基电催化剂具有竞争优势。此外，丰富的缺陷（无序）的存在也被证明是增强电化学活性的原因。因此探索 MX2材料的合成方法、电场调控催化性能以及应用具有重要意义。1.2 电催化分解水制氢将酸性环境中的析氢反应的机理归结为三个步骤[36]，如图 1-1a)所示。首先在由于电极表面的放电作用，在电极表面发生吸附反应，见公式（1-1），被称为Volmer 过程：H+(aq)+e-+*→Hads*（1-1）通过这一过程完成电子和质子的反应，在电极表面产生一个吸附氢原子，经过 Tafel 反应，两个吸附氢原子结合生成氢气，见公式（1-2）。同时经 Heyrovsk反应质子和吸附氢原子在电子的作用下结合生成氢气，见（1-3）。2Hads*→H2(g)+2* （1-2）Hads*+ H+(aq) +e-→H2(g)+* （1-3）

图 1-3 a)氧掺杂 MoS2纳米薄片的示意图，b)氧掺杂 MoS2纳米薄片的催化性能谢毅教授课题组提出了一种可控的一步水热法来完成MoS2超薄纳米片程。具有丰富缺陷的 MoS2超薄纳米片表现出优异的电催化性能，这归的缺陷和超薄纳米片结构引起的富集活性边缘位点的协同作用[31]。在薄片结构中，由于存在大量的缺陷，催化惰性的基平面会发生部分开裂露出更活跃的边缘位点。此外，调节层间距离是一种设计新颖高效的 剂的优秀策略，用以提高电化学反应的潜在活性[47]。美国阿冈国家实刚教授课题组用一种十分新颖的微波辅助方法制备了 MoS2纳米片，所MoS2具有端部结构和一个有效的层间扩展空间[41]，如图 1-4 所示。

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