高效硫化钴基电化学析氢催化剂的构筑及其性能研究

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近年来,能源稀缺与环境污染这两大问题已经逐渐威胁到人类生存与健康。电催化分解水来获取绿色清洁可再生氢能是解决这两大问题有效方式。研究至今,科学家发现了多种电催化剂(过渡金属硫化物、磷化物、氧化物、硒化物)。研究表明,传统的单金属硫化物的电催化活性仍有待于提高,我们可以从三个方面来对其活性进行提升:(1)通过构建独特纳米结构来增加活性位数量;(2)通过元素掺杂来提高活性位的本征活性;(3)引入导电基质来改善电接触,加快电子传输。本论文主要运用了水热法、搅拌法、高温煅烧法、原位气相硫化法、气相磷化法等实验方法成功制备出Ni-Co-S、Mo,Co-NiS/NF、N,P-CoS2@RGO、P-CoS2@Co/C纳米复合材料,并将这些材料用于电催化析氢。具体研究如下:1.通过构建多壳层空心结构来增加活性位数量,从而提高电催化析氢性能。实验主要通过改变硫化温度和硫源用量来调控产物组分与形貌,并探索其与性能之间的联系。最佳硫化温度(340°C)、最佳升华硫使用量(600 mg)下的产物Ni-Co-S-340(60)兼具完整的多壳层结构以及较多的高活性组分,从而表现最高效的电催化析氢性能。多壳层空心结构会提供更大的活性面积,暴露更多活性位,从而有利于电催化析氢反应的进行。2.通过引入导电基底泡沫镍来改善电接触、掺入金属元素Mo和Co来提升本征活性,通过这两方面的共同作用,最终提高电催化性能。实验考察了硫化温度以及泡沫镍的存在对产物组分和形貌的影响,并进一步探索了组分形貌与性能之间的联系。在泡沫镍存在时,通过最佳硫化温度(400°C)进行硫化的产物Mo,Co-NiS/NF-400兼具较多的高活性组分和形貌较完整、尺寸较适当的活性物质,从而表现最高效的电催化析氢性能。金属基底泡沫镍不仅可以提供镍源形成Co-Ni-S复合物,还可以增强导电性,改善电接触,此外避免反应过程中产物聚集。此外,Mo和Co的掺杂可以优化电子结构、增强本征活性,最终提高电催化性能。3.通过引入导电碳基底RGO以及无定型碳来改善电接触,掺入非金属元素来提升本征活性。结合这两方面,我们合成了N,P共掺杂的CoS2@RGO复合物(N,P-CoS2@RGO)以及P掺杂的CoS2@Co/C复合物(P-CoS2@Co/C),并在全pH溶液中考察其电催化析氢性能。实验主要考察了P掺杂对产物析氢性能的影响。短时间的磷化会促使P掺入到CoS2晶格中,既能增加活性位本征活性,还可以抑制样品表面的氧化,使样品保持更高的活性。此外,碳材料RGO以及无定型碳的存在可以有效抑制活性组分聚集,还可以提高导电性,加快电子传输。
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