论文部分内容阅读
氢能被认为是21世纪最有前景的清洁能源之一,氢能的主要载体是氢气。目前通过电催化/光催化水解产生可持续的氢气的方法被广泛认为是最有前景的途径。水分解反应可以分为两个半反应:析氢反应(HER)和析氧反应(OER),这两个反应对总体水分解效率至关重要。其中析氢反应相对简单,析氧反应涉及四电子转移过程,动力学较慢,导致水分解反应难以进行。因此,开发具有高催化活性的水分解催化剂是十分重要的。过渡金属元素具有成本低、效率高,稳定性好的优点,从而使整个水分解反应更切实可行。本论文主要采用水热法及硫化法,构建Fe基和Ni基催化剂。通过X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),紫外可见分光光度计(UV-Vis),傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),X射线光电子能谱分析(XPS)等方法对催化剂的结构进行了表征。最后,利用电化学工作站对其催化性能进行了评价。取得的研究成果如下:1、在目前的报道中,无论是纯相的β-FeOOH样品,还是掺杂Ni和Co的样品,都被认为是用于太阳能水氧化的半导体。在水解反应中β-FeOOH—直作助催化剂,本文是第一次直接使用β-FeOOH样品作为水分解催化剂。以六水三氯化铁和无水硝酸钠为前驱体,并在前驱体溶液中加入含Ni2+、Co2+的盐,采用水热法一步合成了 Ni、Co低含量掺杂的β-FeOOH纳米棒。结合密度泛函理论(DFT)计算和实验结果可知,(1)β-FeOOH的带隙2.26 eV。对于Ni-FeOOH和Co-FeOOH,带隙分别变窄为 0.92 和 0.43 eV;(2)Ni/Co 掺杂后,在 1.0 V(vs.RHE)下 Co-FeOOH,Ni-FeOOH的饱和光电流密度分别为4.71 mA·cm-2和2.55 mA·cm-2,纯相β-FeOOH饱和光电流密度是0.69 mA·cm-2,掺杂后样品的光电流密度均高于纯相β-FeOOH。由于带隙变窄及FeOOH与MOOH(M=Ni或Co)之间的费米能级差异,促进光生载流子的分离,进而提高β-FeOOH的光催化活性;(3)Ni/Co掺杂的样品比纯β-FeOOH的电催化析氧性能好,同时该催化剂具有很好的稳定性。2、大部分的析氢反应(HER)总是涉及贵金属,本文合成了一种新型Fe掺杂NiS2纳米片析氢催化剂,具有成本低、高活性和电化学稳定的性能。以NiFe2O4/α-Ni(OH)2化合物及硫粉为前驱物,通过硫化合成不同摩尔比的Fe掺杂NiS2(Fe-NiS2)纳米片。实验结果表明,在NiS2(002)面的表面晶格中的Fe3+掺杂降低了析氢反应的活化能,合成的Fe-NiS2样品表现出良好的电催化析氢性能。其中2%Fe掺杂的催化性能最佳,其Tafel斜率为37 mV dec-1,在10 mA·cm-2时具有121 mV的过电位。此外,通过相同硫化条件将Fe-NiS2样品负载在CdS纳米棒的表面上,作为光催化产氢的助催化剂,其中2%FeNiS/CdS的析氢效果最佳,其在可见光下产生3.2 mmol·h-1·g-1的氢气,比纯CdS高46倍。