金属磷化物纳米材料的制备及其电催化制氢性能

发布时间：2017-04-16 02:01

  本文关键词：金属磷化物纳米材料的制备及其电催化制氢性能，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着能源危机和环境污染等问题的日益严重,发展可再生能源已经成为全球的共识。作为一种清洁并且可以再生的能源,氢气一直被认为是未来最具发展潜力的新能源,越来越受到人们的关注。在目前的众多制氢技术中电解水制氢对于未来解决能源危机和环境问题具有极大的价值。氢气可以经由电解或者光照分解水而获得。在电解水制氢中,高效的电解水催化剂显得至关重要。高效的析氢电极材料应具有导电性好、比表面积大、析氢过电位低、电催化活性高、电化学稳定性好以及抗腐蚀性强等特点。目前,虽然一些贵金属催化剂(Pt、Pd等)对于电解水制氢具有优异的催化活性,但它的稀缺性和高成本限制了它的广泛应用。高效并且低成本的析氢电催化剂一直是该研究领域探索的方向。本文通过不同的制备方法合成出结构新颖、性能优异的中空多孔的磷化镍纳米球(Ni_3P PHNs)、Co_2P纳米片(Co_2P/CuFoam)和磷化钼纳米片(MoP),并研究其形貌结构和析氢性能,得到如下的研究结果:(1)提出一种制备简单、可量产的多孔中空结构的磷化镍(Ni_3P)纳米球(Porous hollow nanospheres,PHNs)的方法。Ni_3P PHNs是由非晶的镍磷纳米球经过退火后形成的Ni-Ni_3P纳米颗粒然后再去除掉镍而形成的。Ni_3P PHNs在析氢反应中具有较高的催化活性,在酸液中20 mA cm-2(η20)所需的过电位为99mV,在碱性溶液中20 mA cm-2所需的过电位为338 mV。其催化性能优于包括过渡金属硫化物、碳化物、硼化物和氮化物在内的其他金属磷化物催化剂。其法拉第电流效应接近100%,并且在持续的电解水过程中保持良好的稳定性。可量产,低成本,优秀的催化活性和良好的稳定性使得Ni_3P PHNs具有广阔的应用前景。(2)发展一种通过电化学沉积在泡沫铜基底(Cu Foam)上一步电镀非晶的Co-P再经由退火和HCl处理获得Co_2P薄膜的方法。Co_2P/CuFoam具有大的活性表面积、快的电子传输率,在酸性溶液中当电流密度为20 mA cm-2和80 mA cm-2时对应的过电位为146 mV和188 mV并且兼具良好的稳定性。作为阳极材料Co_2P/CuFoam在电流密度为100 mA cm-2时过电位为310 mV,是理想的双功能材料。(3)提出了一种由四水合钼酸铵和磷酸二氢铵一步热还原反应制备的磷化钼(MoP)纳米片的方法。该纳米片是由直径100 nm的MoP纳米颗粒组成的多孔的片状结构,其横向尺寸在1mm到5mm之间,厚度在200 nm左右。当MoP混合了碳黑后展现出优异的电解水制氢催化性能(HER),在酸性溶液中当电流密度为20 mA cm-2(η20)时过电位仅为155 mV而在碱性溶液中为184 mV。在酸性和碱性溶液中都具有良好的稳定性,其法拉第电解效率也接近100%。经过测验MoP纳米片上的Mo和P分别发现了微弱的正负电荷,这也可能是MoP纳米片具备良好的催化活性的原因。
【关键词】：析氢反应 电解水催化剂 磷化镍中空纳米球 磷化钼纳米片 电沉积 磷化钴
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.21;O613.62
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 氢气的制备11-14
• 1.1.1 化石燃料制氢12
• 1.1.2 催化热分解碳氢化合物制氢12
• 1.1.3 生物制氢12-13
• 1.1.4 太阳能制氢13
• 1.1.5 电解水制氢13-14
• 1.2 电解水制氢的研究现状14-15
• 1.3 电解水制氢的基本原理15-16
• 1.4 析氢电极材料16-18
• 1.4.1 析氢电极材料的制备16-17
• 1.4.2 影响析氢材料活性的影响因素17-18
• 1.4.3 目前HER催化剂的研究进展18
• 1.5 本文研究的目的以及内容18-21
• 1.5.1 本文研究的目的18-19
• 1.5.2 本文研究的内容19-21
• 第二章 多孔中空的磷化镍(Ni_3P)纳米球的相分离合成及其催化析氢性能的研究21-41
• 2.1 引言21-22
• 2.2 实验部分22-26
• 2.2.1 实验仪器和药品23
• 2.2.2 中空多孔结构的磷化镍纳米球(Ni_3P PHNs)制备方法23-24
• 2.2.3 电化学的表征方法24-26
• 2.3 Ni_3P PHNs结构与形貌的表征26-33
• 2.4 Ni_3P PHNs电化学性能研究33-39
• 2.4.1 Ni_3P PHNs在酸性溶液中的电化学性能33-36
• 2.4.2 Ni_3P PHNs各阶段产物性能研究36-37
• 2.4.3 不同退火温度下Ni_3P PHNs性能研究37-38
• 2.4.4 Ni_3P PHNs在碱性溶液中的电化学性能38-39
• 2.5 本章小结39-41
• 第三章 电沉积法制备分层多孔结构的Co_2P/CuFoam及其析氢和析氧性能的研究41-50
• 3.1 引言41
• 3.2 实验部分41-43
• 3.2.1 Co_2P/CuFoam复合结构的制备41-42
• 3.2.2 电镀时间的确定42-43
• 3.3 Co_2P/CuFoam结构与形貌的表征43-45
• 3.4 Co_2P/CuFoam电化学性能的研究45-49
• 3.4.1 Co_2P/CuFoam在酸性溶液中的析氢性能45-47
• 3.4.2 Co_2P/CuFoam在碱性溶液中的析氧性能47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第四章 磷化钼纳米片(MoP)的制备及其电催化析氢性能的研究50-64
• 4.1 引言50-51
• 4.2 实验部分51
• 4.2.1 实验仪器和药品51
• 4.2.2 MoP纳米片的制备方法51
• 4.3 MoP纳米片制备最佳实验条件的确定51-54
• 4.3.1 反应的温度51-53
• 4.3.2 MoP的负载量以及MoP与碳黑的质量比53-54
• 4.4 MoP结构与形貌表征54-57
• 4.5 MoP电化学性能表征57-63
• 4.5.1 酸性溶液中的电催化性能57-62
• 4.5.2 碱性溶液中的电催化性能62-63
• 4.6 本章小结63-64
• 第五章 结论64-66
• 参考文献66-75
• 致谢75-76
• 攻读硕士学位期间发表论文76

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