【摘 要】
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开发绿色和可再生替代能源作为解决传统化石燃料使用所产生的能源和环境问题的策略备受重视。利用可再生能源电解水制氢,绿色环保,符合可持续发展理念,有利于全球能源转型。为了提高电解水的能量转换效率,满足实际生产需求,高效、低成本、耐用的催化剂需要被研究。硫化镍材料作为电催化剂在电解水的析氧反应（OER）中显示出良好的应用前景,但其催化活性和稳定性仍有待提高。因此,本文以硫化镍作为研究对象,通过杂原子掺杂
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开发绿色和可再生替代能源作为解决传统化石燃料使用所产生的能源和环境问题的策略备受重视。利用可再生能源电解水制氢,绿色环保,符合可持续发展理念,有利于全球能源转型。为了提高电解水的能量转换效率,满足实际生产需求,高效、低成本、耐用的催化剂需要被研究。硫化镍材料作为电催化剂在电解水的析氧反应（OER）中显示出良好的应用前景,但其催化活性和稳定性仍有待提高。因此,本文以硫化镍作为研究对象,通过杂原子掺杂和界面工程等策略在泡沫镍（NF）上构筑了FeW-Ni3S2/NiS@NF、Fe Mo-Ni3S2/NF和Fe（EDTA）-Ni3S2@NF三种电催化材料,并分别研究其OER、尿素氧化反应（UOR）等电催化性能,结合理论计算等来研究催化剂对电解水的反应机制。（1）设计用于OER和UOR的高活性电催化剂对于显著降低水电解的能耗或废水处理非常重要。采用一步水热法在NF上直接生长Fe、W共掺杂硫化镍催化剂。所得的FeW-Ni3S2/NiS@NF电极在1 M KOH条件下对OER表现出优异的催化性能,在50 m A cm-2和100 m A cm-2条件下的过电位分别为236 m V和251 m V,明显优于单纯掺杂Fe和W的催化剂样品。此外,FeW-Ni3S2/NiS@NF对UOR表现出优异的电催化性能:电势仅为1.354 V（vs.RHE）便可达到100 m A cm-2的电流密度。在催化剂中引入Fe和W元素,不仅可以促进对FeW-Ni3S2/NiS@NF的形态调控,使其暴露出更多的活性位点,而且Fe和W盐之间的相互作用显著提高了OER和UOR性能。这一工作是高效电催化剂制备的有效策略。（2）掺杂改性可以有效提高硫化镍的电催化活性。在此基础上,通过简单的一步水热法制备了具有丰富活性位的Ni3S2纳米片。在水热过程中,（NH4）6Mo7O24?4H2O作为辅助剂对提高Fe掺杂含量起关键作用。优化后的Fe Mo-Ni3S2在NF表面呈银耳状三维纳米结构。Fe Mo-Ni3S2/NF在1 M KOH、电流密度为10 m A cm-2、过电位为180 m V的条件下,对OER表现出优异的活性和耐久性。根据转换频率（TOF）的结果,我们发现Fe Mo-Ni3S2/NF和Fe-Ni3S2/NF的催化活性与Fe原子的掺杂量成正比。本工作为高效催化剂的设计提供了一种新颖有效的策略。（3）尿素氧化反应可降低尿素辅助电解水制氢的电解能耗。采用简单的水热法制备了Fe（EDTA）-Ni3S2@NF电极。Fe掺杂调控了Ni3S2材料的形貌和电子结构,电极在含有0.33 M尿素的1 M KOH电解液中,表现出优异的UOR活性。在50 m A cm-2和100 m A cm-2下所需的电势分别为1.363 V（vs.RHE）和1.376 V（vs.RHE）。另外研究了Fe（EDTA）-Ni3S2@NF电极的动力学,其中通过DFT计算发现Fe掺杂可以降低Ni3S2在UOR中速控步的能垒进而提高UOR活性。本工作为制备高效非贵金属基UOR催化剂辅助氢燃料生产提供了有效策略。
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