【摘 要】
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在全球大力倡导“碳中和”的背景下,发展新型绿色清洁能源代替传统化石能源是未来能源发展的大趋势。氢能具有热值高、燃烧过程无污染等优点,是一种理想的能量载体。目前高碳排放的化石燃料制氢仍是主要途径,所以通过电解水制备绿氢是未来“氢经济”的发展方向。然而水分解过程需要高效的电催化剂来降低固有的反应能垒,这一定程度上限制了其发展。虽然贵金属基催化剂表现出优异的催化活性,但高成本和稀缺性限制了其实际应用。因
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在全球大力倡导“碳中和”的背景下,发展新型绿色清洁能源代替传统化石能源是未来能源发展的大趋势。氢能具有热值高、燃烧过程无污染等优点,是一种理想的能量载体。目前高碳排放的化石燃料制氢仍是主要途径,所以通过电解水制备绿氢是未来“氢经济”的发展方向。然而水分解过程需要高效的电催化剂来降低固有的反应能垒,这一定程度上限制了其发展。虽然贵金属基催化剂表现出优异的催化活性,但高成本和稀缺性限制了其实际应用。因此,开发高效廉价的非贵金属催化剂是提升电解水技术的重要途径。过渡金属硫族化物,由于其储量丰富、价格低廉、电导率高等优点,是一类极具发展潜力的电解水催化剂。但是,在催化过程中因堆叠逐渐减少的活性位点制约了其催化性能的提升。金属有机框架(MOFs)材料,具有大比表面积和高孔隙率的特点,利用其作为自牺牲模板是解决该问题的有效办法。本文以MOFs材料为前体,合成了一系列继承其优良特性的硫族衍生物异质结构。通过表征技术与电化学测试方法,研究了形貌变化、物相组成、电子结构对催化性能的影响。并结合密度泛函理论(DFT)计算深入分析了催化剂的反应机制。具体研究工作如下:(1)以生长在泡沫镍Co-MOF为前驱体,通过溶剂热法和电沉积法制备了MOF衍生的FeS2/CoNiSe2异质结构催化剂。交联的纳米片结构暴露了更多活性位点。电化学测试表明,在1 M KOH溶液中,达到10 m A cm-2的电流密度,分别需要230 m V的析氧过电位和150 m V的析氢过电位,并表现出良好的稳定性。FeS2/CoNiSe2组装的电解池只需1.57 V电压可达10 m A cm-2的电流密度,并保持长达45小时的稳定性。DFT计算表明异质结构界面的电荷转移可以优化自由能并提高电导率。(2)以Fe-MOF为铁源,通过两步溶剂热法在泡沫镍上合成了Ni3S2/FeS2用于高效电解水催化剂。纳米颗粒和超薄纳米片的结构为催化反应提供了更多的活性面积。Ni3S2/FeS2在碱性溶液中表现出优秀的电化学性能。在析氧反应中,过电位为215 m V,塔菲尔斜率为32.9 m V dec-1;在析氢反应中,过电位为135 m V,塔菲尔斜率为86.3 m V dec-1。组装的全解水装置达到10 m A cm-2的电流密度所需电压为1.52 V,并经35小时的耐久测试后无电流衰减。DFT计算深入揭示了催化剂的构效关系,进一步验证了实验结果。
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