碳化钼纳米结构的可控合成及其电催化分解水制氢性能

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现今,能源危机和环境问题日益严重。氢气作为一种清洁能源,能够很好平衡二者之间的关系。氢气虽然是清洁能源,但在自然界中并不存在,需要人工制备。地球70%被水覆盖,这为电解水制氢提供了源源不断的基础。电催化析氢材料则是电解水制氢中最关键的一环。目前,铂(Pt)仍然是析氢反应(HER)的最佳催化剂。铂作为一种珍贵金属,因其储量有限,价格昂贵的缺点,在工业上大规模的工业生产中很难得到广泛的应用。因此研发生产成本低、催化性能优异的新型析氢催化剂有广阔的前景。  本文通过不同的制备方法,合成出可控的碳化钼纳米结构,并研究其形貌结构和析氢性能。取得的研究成果如下:  (1)提出一种简单的一步合成碳化钼(Mo2C)/多孔石墨烯(Gr PF)的纳米复合结构的方法。对该复合结构的形貌、物相构成以及催化析氢性能等进行表征,其结果表明,在这种复合结构中多孔石墨烯为片状结构,厚度约为8 nm;Mo2C纳米颗粒直径非常小,约为13±2 nm,且均匀负载在多孔石墨烯上。通过实验可知,当电流密度为20 mA cm-2时,该复合结构在酸性溶液中的过电位为199 mV,在碱性溶液中的过电位为380 mV。在两种溶液中电催化析氢性能都很稳定,说明该复合结构在酸性和碱性液体中都有很高的催化析氢活性。本文通过测试Mo2C/C、纯相Mo2C纳米颗粒和纯相石墨烯(Gr)的催化析氢性能的对比实验证实了Mo2C/Gr PF复合结构的催化析氢活性物质为Mo2C纳米颗粒。与此同时,多孔石墨烯作为一种载体的存在,更加快电子在电极间的传输,使得复合材料的催化活性得到大大的提高。本文还讨论了不同温度和配比对性能和形貌的影响。  (2)制备并研究了Mo2C/多孔纳米碳球(Mo2C/PCMs)的催化析氢性能。实验结果表明,该结构在酸性和碱性溶液中都有很高的催化析氢活性,当电流密度为20 mA cm-2时,在酸性溶液中的过电位为203 mV,在碱性溶液中的过电位为350 mV,且在两种溶液中电催化析氢性能都很稳定。同时,也证实了Mo2C/PCMs复合材料中催化析氢活性物质为Mo2C纳米颗粒。此外,本文也探讨了不同温度和配比对性能的影响。
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