【摘 要】
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近年来,由于能源危机以及环境污染等问题,人们越来越重视可持续清洁能源的发展,而电催化转化技术作为发展可持续清洁能源的一种重要手段备受人们关注。二维纳米材料因其具有较大的比表面积,在电催化过程中可以提供较多的活性位点,从而表现出较好的催化性能。此外,二维纳米材料易于调控的电子结构在电催化领域具有巨大的应用潜力。因此,本论文探讨了不同的二维纳米材料在电催化领域的应用。本论文旨在通过对制约电催化剂性能的
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近年来,由于能源危机以及环境污染等问题,人们越来越重视可持续清洁能源的发展,而电催化转化技术作为发展可持续清洁能源的一种重要手段备受人们关注。二维纳米材料因其具有较大的比表面积,在电催化过程中可以提供较多的活性位点,从而表现出较好的催化性能。此外,二维纳米材料易于调控的电子结构在电催化领域具有巨大的应用潜力。因此,本论文探讨了不同的二维纳米材料在电催化领域的应用。本论文旨在通过对制约电催化剂性能的因素进行分析,以二维纳米材料本征的性质为出发点进行调控,从而实现二维纳米材料催化性能的提高。作者通过缺陷工程和晶相调控分别对镍铁层状双氢氧化物和氢氧化铋纳米片进行性能改善,获得了高性能的氮还原反应和二氧化碳还原反应催化剂。本论文对二维纳米材料的调控为以后高性能催化剂的制备提供了新思路,其研究内容包括以下几个方面:1、合理设计催化位点激活N≡N对推进氮还原反应具有重要意义。在理论计算的指导下,通过在镍铁层状双氢氧化物（VoF-Ni Fe-LDH）中引入氧空位,构建了一种具有高密度缺电子位点的镍铁层状双氢氧化物（Vo-Ni Fe-LDH）纳米片催化剂。密度泛函理论计算表明,Vo-Ni Fe-LDH的决速步反应能垒（0.76 e V）远小于VoF-Ni Fe-LDH（2.02 e V）。因此,Vo-Ni Fe-LDH的电催化氮还原反应性能显著提高,在电解质为0.1 M KOH,-0.2 V vs.RHE条件下,氨气产率为19.44μg h-1 mg-1cat,法拉第效率为19.41%且具有优异的稳定性。本研究不仅为氮还原反应提供了一种活性电催化剂,而且为氮还原反应催化剂的设计提供了一种简便的策略。2、二维纳米材料的晶相决定了材料的基本性质,而二维纳米材料的合成方法在很大程度上决定了其晶相结构,故可控地制备特定晶相的二维纳米材料是当前亟待解决的问题。我们通过不同的合成方法实现了二维纳米材料的可控生长,从而合成了两种不同晶相的二维纳米材料作为催化剂:结晶性的氢氧化铋（C-Bi（OH）3）和无定形的氢氧化铋（A-Bi（OH）3）。A-Bi（OH）3相比于C-Bi（OH）3其电催化二氧化碳还原反应性能显著提高,在电解质为0.1 M KHCO3的H型池中,甲酸的法拉第效率为94.9%（-1.1 V vs.RHE）,能量效率为52%（-1.0 V vs.RHE）且具有优异的稳定性;同时在电解质为1 M KOH的流动池中,甲酸的法拉第效率为99.5%（-1.2 V vs.RHE）,能量效率为68.5%（-0.3 V vs.RHE）且具有良好的稳定性。本研究不仅通过二维纳米材料的可控制备实现了晶相调控,而且还提高了电催化二氧化碳还原成甲酸的性能。
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