【摘 要】
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利用电解水技术将间断的风能、太阳能等可再生能源转换为绿色、清洁的氢气等化学能源,不仅有助于解决可再生能源时空分布不均匀的问题,还可以促进重型交通工具的减排以及传统化工行业的转型升级。但目前电解水效率仍然较低,成本居高不下。虽然使用Pt、Ir O2等高活性的贵金属催化剂能一定程度降低电解水的能耗,但这些贵金属储量稀少、价格昂贵,不利于电解水技术的推广应用。另一方面,电解水过程中的阳极析氧反应（OER
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利用电解水技术将间断的风能、太阳能等可再生能源转换为绿色、清洁的氢气等化学能源,不仅有助于解决可再生能源时空分布不均匀的问题,还可以促进重型交通工具的减排以及传统化工行业的转型升级。但目前电解水效率仍然较低,成本居高不下。虽然使用Pt、Ir O2等高活性的贵金属催化剂能一定程度降低电解水的能耗,但这些贵金属储量稀少、价格昂贵,不利于电解水技术的推广应用。另一方面,电解水过程中的阳极析氧反应（OER）动力学缓慢、过电位高,且其产物氧气附加值较低,容易与阴极析氢反应（HER）产生的氢气混合,存在安全隐患。为解决以上问题,本工作围绕廉价易得的Ni基催化剂开展了以下两个部分的研究:（1）开发了一种高效的非贵金属HER催化剂。该部分采用脉冲电沉积法制备了一种含Ni、Co、Cu、Mo和W五种非贵金属的合金材料,并探讨其在HER中的应用。该材料在电流密度为10 m A cm-2时的过电位仅为23 m V,塔菲尔斜率为63.7m V dec-1,优于商用Pt/C催化剂的35 m V和109.7 m V dec-1。即使在100 m A cm-2的高电流条件下,该催化剂也能稳定运行24 h。同时,该催化对于HER的逆反应氢氧化反应（HOR）也具有较高的活性,电化学活性面积归一化的交换电流密度达到0.104 m A cm-2。密度泛函理论计算表明,相较于对照材料,五元金属的合金化能够减弱*H中间体的强吸附并促进*OH中间体的吸附,从而促进HER和HOR。（2）用热力学更易发生的尿素氧化反应（UOR）替代了阳极的OER,并研究了*OH吸附对UOR性能的影响。该部分采用沉淀法制备了Ni（OH）2、Mg掺杂Ni（OH）2、Ba掺杂Ni（OH）2三种材料。在电压为1.5 V时,Ni（OH）2、Mg掺杂Ni（OH）2、Ba掺杂Ni（OH）2的UOR电流密度分别为141 m A cm-2、106 m A cm-2和83 m A cm-2。三种材料UOR的活性顺序与其*OH吸附性顺序一致,进一步研究表明增强催化剂的*OH吸附性可以促进尿素的直接氧化步骤,进而提高UOR活性。
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