【摘 要】
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目前,电催化分解水体系中无论是阴极的析氢反应(HER),还是阳极的析氧反应(OER)性能最突出的催化剂仍为贵金属催化剂,如铂、钌和铱及其它们的化合物等,但高昂的价格和稀缺的存量限制了它们的大规模应用。近几年,大量的研究集中在非贵过渡金属,并取得了很大的进展,但催化活性相较贵金属还有较大的差距。有效调控催化剂化学组成及结构对于进一步提高电催化剂的性能十分重要。本论文基于铁系含硼化合物的设计制备、结构
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目前,电催化分解水体系中无论是阴极的析氢反应(HER),还是阳极的析氧反应(OER)性能最突出的催化剂仍为贵金属催化剂,如铂、钌和铱及其它们的化合物等,但高昂的价格和稀缺的存量限制了它们的大规模应用。近几年,大量的研究集中在非贵过渡金属,并取得了很大的进展,但催化活性相较贵金属还有较大的差距。有效调控催化剂化学组成及结构对于进一步提高电催化剂的性能十分重要。本论文基于铁系含硼化合物的设计制备、结构和组分调控,开展了如下的研究内容:(1)通过简单的化学还原和低温磷化的方法制备B-CoP/CNT材料。B的掺杂可以有效地调控CoP中Co和P的核外电子结构。B-CoP/CNT的催化活性相较CoP/CNT有显著的提升。在酸性、中性和碱性介质中达到10 m A cm-2的电流密度分别需要39 m V、79 m V和56 m V。通过DFT计算发现,B-CoP/CNT的氢吸附吉布斯自由能比CoP/CNT更接近于零,说明反应过程在更接近热中性的情况下进行。(2)利用简便的湿化学原位还原合成方法制备了具有高本征催化活性的Ni3Fe2-Bi纳米片(Ni3Fe2-Bi NS),以纳米片/纳米片的二维形式生长在rGO上。这种复合形式增加了Ni3Fe2-Bi NS和rGO基底的接触面积,更有利于催化反应过程中电子的传递,从而促进了反应动力学。最终,由于高的表面活性位点暴露,增强电子传输能力,Ni3Fe2-Bi NS/rGO电催化剂在碱性条件下表现出比贵金属Ru O2更高的OER催化活性,电流密度为10 m A cm-2时的过电位仅为180 m V。(3)利用简单的化学还原合成策略成功制备FeCo-Bi@CoFe纳米粒子原位生长在rGO上的双功能催化剂。所制备的催化剂的突出特征在于结构存在丰富的异质纳米界面,使其不仅具有各自组分的优点,而且FeCo-Bi@CoFe/rGO异质结构在HER和OER过程中可以起到协同效应。FeCo-Bi@CoFe/rGO电催化剂相较单一组分表现出最好的OER和HER性能。在碱性电解质中,当电流密度为10 m A cm-2时,OER和HER的电位分别低至230 m V和170 m V。使用FeCo-Bi@CoFe/rGO构建双电极电解水体系,当电流密度为10 m A cm-2时的过电位为1.64 V,低于已报道的大部分双功能催化剂,且可以稳定工作20 h以上。
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