【摘 要】
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目前,Pt元素是使用最广泛的贵金属HER材料,但商业电解水需要大规模、大面积的使用Pt,而Pt在地球上的含量稀少且价格昂贵,不适用于商业制氢。因此,探索制备非贵金属基析氢电极
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目前,Pt元素是使用最广泛的贵金属HER材料,但商业电解水需要大规模、大面积的使用Pt,而Pt在地球上的含量稀少且价格昂贵,不适用于商业制氢。因此,探索制备非贵金属基析氢电极替代贵金属具有重要的理论意义和实际应用价值。本文采用电沉积的方法,制备了电化学活性表面积高、析氢催化活性优异的析氢电极:Cu-Ni-Mo,Ni-Fe-S和Ni-Mo-S。运用SEM、EDS、XRD和XPS对析氢电极的形貌、结构以及相态进行了表征,并通过LSV、EIS、CV等测试手段对析氢电极的电化学性能进行了检测。结果表明:(1)Cu-Ni-Mo析氢电极的表面为细小晶粒团簇而成的“花椰菜状”结构。当电流密度为10 mA·cm-2时,Cu-Ni-Mo析氢电极的析氢过电位仅为38.5 mV,Heyrovsky步骤为析氢反应速率决定步骤。Cu-Ni-Mo析氢电极中,Mo元素对其析氢性能的影响很大。相对于Cu-Ni析氢电极,Cu-Ni-Mo析氢电极的电荷转移电阻更小,活性表面积更大,Mo元素的加入使合金由晶态结构转化为非晶结构且电极的电化学活性表面积大幅增加,从而提高了析氢反应的效率。(2)Ni-Fe-S析氢电极的表面主要由凹凸不平的丘陵胞状物构成。当电流密度为10 mA·cm-2时,析氢过电位仅为62.7 mV,析氢反应机制主要为Volmer-Heyrovsky过程。Ni-Fe-S析氢电极中的Fe元素在析氢反应中发挥着不可忽视的作用:Fe元素不仅促进了析氢电极的非晶化,还进一步加强了电极表面对氢原子的吸附能力,提高了Volmer过程的反应速率,促进了动力学反应过程。(3)Ni-Mo-S析氢电极表面由大量致密的微纳米球状颗粒堆积而成。当电流密度为10 mA·cm-2时,析氢过电位为96.5 mV,Heyrovsky步骤为析氢反应速率决定步骤。Ni-Mo-S析氢电极中,Ni3S2和MoS2产生了良好的协同作用,使电极具有出色的转移电子能力,同时MoS2边缘部分的不饱和活性位点更有利于提高析氢电极动力学。
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