【摘 要】
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社会的高速发展伴随而来的是能源的短缺。传统的化石能源不满足人类可持续发展的理念,研究者们致力于寻找清洁的可再生能源如太阳能、潮汐能、地热能等。这些可再生能源受限于间歇性等问题存在应用上的阻碍。氢能源作为高效而绿色的清洁能源,在能源转换方面起了重要作用。通过电化学手段储存可再生能源转变成氢能,然后将氢能应用于燃料电池等技术,是新能源发展的方向之一。主要的氢能源获取方式是水分解,水分解的两个半反应都是
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社会的高速发展伴随而来的是能源的短缺。传统的化石能源不满足人类可持续发展的理念,研究者们致力于寻找清洁的可再生能源如太阳能、潮汐能、地热能等。这些可再生能源受限于间歇性等问题存在应用上的阻碍。氢能源作为高效而绿色的清洁能源,在能源转换方面起了重要作用。通过电化学手段储存可再生能源转变成氢能,然后将氢能应用于燃料电池等技术,是新能源发展的方向之一。主要的氢能源获取方式是水分解,水分解的两个半反应都是上坡反应,因此需要高效的催化剂来解决这一问题。高效的催化剂往往是储量少且价格高的含贵金属催化剂,因此开发非贵金属催化剂势在必行。传统的粉末催化剂由于负载量和需要添加剂等问题无法在工业上的大电流水解中应用,自支撑电极应运而生。无需导电剂和粘结剂的自支撑电极不仅可以提供更高的催化剂负载量,而且可以通过对材料的结构进行设计以符合想要的应用场景。因此,自支撑电极在水分解领域起着越来越重的作用,如何设计制作性能突出、稳定性好的非贵金属自支撑电极是当今研究的重点。本课题通过选择性激光熔融(SLM)和放电等离子体烧结(SPS)技术,成功制备了不含贵金属的多组元高熵合金自支撑电极。通过球磨法和电爆破制粉得到了Al82Ni4Co4Fe4Cr4Mo2和Al82Ni6Co3Fe3Cu6以及Al83Ni12Co1Fe1Cu2Mo1前体合金粉末,再通过SLM和SPS技术成功制备了高熵合金前驱体,最后通过脱合金的方法制备得到了3DP-Al Ni Co Fe Cr Mo和3DP-Al Ni Co Fe Cu以及SPS-Al Ni Co Fe Cr Mo和SPS-Al Ni Co Fe Cu Mo的自支撑电极,结合后续的表征实验验证了高熵合金中的元素组成。在碱性条件下测试了3DP-AlNiCoFeCrMo的HER和OER的性能,3DP-Al Ni Co Fe Cr Mo自支撑电极对于HER反应只需要39 m V的过电势就可到达10 m A cm-2的电流密度,在-0.3 V的过电位可到达320 m A cm-2的电流密度。对于OER反应,只需要1.5 V的过电势就可到达10 m A cm-2的电流密度,1.57 V的过电势就可到达100 m A cm-2的电流密度,在大电流密度下的表现远超传统的贵金属催化剂,并且保持了出色的电化学稳定性。通过电镜表征可以看到自支撑电极的表面成褶皱状而且具有多孔的结构,大的比表面积能提供更多的活性位点。本论文还探索了通过SPS技术制备自支撑电极的可行性。SPS-Al Ni Co Fe Cu Mo电极在碱性溶液中表现出优秀的OER活性,达到500m A cm-2的电流密度仅需要417 m V的过电势。3D打印和SPS制备的自支撑电极形貌和原子比都符合预期,也表现出了符合预期的电催化性能,这为水分解自支撑电极的设计开提供了新的可能。
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