钨基材料的制备及其电催化析氢性能研究

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在一个社会发展和进步的时代,能源的需求量只增不减。目前,全球能源仍以化石燃料为主,其资源非常有限,属于不可再生资源。化石燃料在燃烧过程中会排放有毒气体、粉尘颗粒等物质,造成环境问题,影响人类的生存和发展。在寻找可替代传统化石燃料的清洁能源中,人们发现氢能源是最有潜力的清洁能源,其有绿色无污染、零碳、可再生等优点。电解水制氢是一种简单高效的方法。但是,析氢反应过程中存在较大的过电位,从而限制氢气的析出效率。贵金属Pt族催化剂可以降低析氢反应所需的过电位,加快反应速率,提高效率。但是由于其资源稀缺,价格非常昂贵,制约了电催化制氢的大规模发展。近几年来,过渡金属化合物成为析氢催化剂已受到广泛的关注。研究发现:通过提高过渡金属化合物的导电性,增多其活性位点数目等能够提高过渡金属催化剂的性能。本论文主要展开以下两个方面的研究:(1)我们用泡沫镍作为基底,通过水热法将具有氧空位的WO3-x纳米片沉积在泡沫镍基底上合成WO3-x/NF催化剂。该工作中,用泡沫镍作为导电基底,提高了材料的导电性,WO3-x表面氧空位增多了活性位点的数目。WO3-x/NF作为析氢催化剂,在析氢反应中表现了卓越的催化性能。在电流密度为10 mA cm-2时,其过电位仅为175 mV,Tafel斜率为110 mV/dec。并且WO3-x/NF催化剂还具有卓越的稳定性。经过105个小时的稳定性测试,过电位仅仅发生了微小的变化。(2)我们通过简单的水热和浸泡方法制备了具有章鱼触须结构的WO3/C@CoO/NF材料。泡沫镍基底和碳包覆进一步提高了材料的导电性,促进了电荷的快速转移。章鱼触须独特的形貌,WO3和CoO的强协同耦合作用,为催化剂提供更大的比表面积和氢吸附活性位点数目。类章鱼触须结构的WO3/C@CoO/NF材料具有良好的析氢催化活性。在电流密度为10 mA cm-2时,过电位仅仅为55 mV。Tafel斜率为115 mV/dec,并且双电层电容Cdl较大。另外,Ar/H2处理的WO3/C@CoO/NF稳定性优异。
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