【摘 要】
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氢能由于能量密度大、热值高、资源丰富、零碳排放和易储存等优势,被普遍认为是未来可持续能源系统的潜在能源载体。电解水制氢技术具有转换效率高、温室气体释放少和氢气纯度高等优势,已成为制氢领域的研究热点。然而,电解水反应步骤复杂、中间体多样,使析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的实际过电位远高于理论值,导致大量的能源浪费以及低的效率。因此,迫切需要开发高性能电催化剂以提高电解水效率。贵金属催化剂由于
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氢能由于能量密度大、热值高、资源丰富、零碳排放和易储存等优势,被普遍认为是未来可持续能源系统的潜在能源载体。电解水制氢技术具有转换效率高、温室气体释放少和氢气纯度高等优势,已成为制氢领域的研究热点。然而,电解水反应步骤复杂、中间体多样,使析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的实际过电位远高于理论值,导致大量的能源浪费以及低的效率。因此,迫切需要开发高性能电催化剂以提高电解水效率。贵金属催化剂由于储量少、成本高等原因,限制了其实际应用。因此探索价格低廉、环境友好的非贵金属基电催化剂,尤其是过渡金属基电催化剂,以替代贵金属基电催化剂势在必行。近年来,镍基材料由于自身多种可转换的价态、化学性质稳定和加氢活性好等优点,在电催化领域应用广泛。基于此,本论文以镍基材料为研究目标,从结构和组分设计出发,构建了不同形貌的镍基自支撑纳米复合材料,以探究其电催化水分解性能。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等表征手段探索了形貌、界面工程和多金属工程对电极材料催化活性的影响。具体内容如下:1.本章节采用简单的两步水热法,合成了一种Ni Mo O4/Ni3S2/NF 2D/2D异质结电极作为双功能电解水催化剂。并探讨了不同反应条件对其形貌、结构组成和电催化性能的影响。结果表明,合成的Ni Mo O4/Ni3S2/NF电极在碱性溶液中表现出优异的HER(η-210 m A cm=80 m V)和OER(η-250 m A cm=288 m V)催化性能。与此同时,使用Ni Mo O4/Ni3S2/NF作为正极和负极构建碱性水分解电解槽,当电流密度为10 m A cm-2时,电池电压为1.52 V。2.相较于上一章节单组分镍硫化物,多金属镍硫化物可表现出显著增强的催化性能。本章节利用Ni Mo O4·x H2O/NF纳米棒阵列作为骨架,结合简单的金属-有机框架(MOF)参与策略和选择性硫化,合成了独特糖葫芦状的中空核壳Ni Mo O4·x H2O@Ni-Co-S NCAs阵列。并探讨了空心结构和多金属组分对电催化性能的影响。结果表明,由于其独特的结构和组成优势,合成的中空核壳Ni Mo O4·x H2O@Ni-Co-S NCAs/NF电极在1.0M KOH中同时展示了优异的HER(η-210 m Acm=113 m V)和OER(η-250 m Acm=261 m V)性能。与此同时,通过整合其双功能催化性能,当达到20 m A cm-2时,电池电压为1.503 V。3.在上述界面处的强电子相互作用和多金属离子间的协同作用促进水分解反应的基础上,构建了三维核壳Ni-Mo-S@Ni Fe LDH/NF电催化剂。以Ni Mo O4·x H2O纳米棒为前驱体,通过硫化处理得到Ni-Mo-S/NF纳米棒阵列,研究发现,其具有良好的HER性能,但OER性能不尽人意。为了提高其OER性能,在其表面包裹了一层Ni Fe LDH,得到三维核壳Ni-Mo-S@Ni Fe LDH/NF电催化剂。该催化剂表现出优异的OER性能(η-2100 m Acm=274 m V)和水分解活性(E-210 m Acm=1.507 V)。此外,发现该催化剂也具有良好的尿素氧化性能。
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