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高效稳定的电解水产氢催化剂是可再生能源氢能研究的关键,目前广泛研究的电解水产氢催化剂多为粉末状,需要添加粘结剂配成溶液负载在导电基底上才能参与电解水性能研究。但该过程不可避免地增大了催化剂与电解质溶液的接触电阻或造成粉末催化剂团聚,使得催化剂的电催化活性大打折扣。构建电解水三维电极不仅可以有效地解决上述问题,还可增大催化剂与电解质溶液的接触面积、增强催化稳定性。然而三维电极用作电解水产氢的文献报道并不多。近来研究表明,通过在三维基底如碳布、碳纤维纸上负载电解水产氢纳米材料或通过“范德华结构”将二维纳米材料进行可控组装可得到高效稳定的电解水催化剂。针对上述现状,本论文采用不同的方法合成三种不同的电解水产氢三维电极,并对其产氢催化性能进行研究。主要研究内容和结论如下:(1)通过水热-电沉积两步法,在碳纤维上合成了铂纳米颗粒/二硫化钼纳米片/碳纤维三维电极(Pt/MoS2/CFs)。详细的电化学性能表征表明,含铂量仅为2.03 wt%的Pt/MoS2/CFs催化剂在0.5 mol/L的硫酸电解质溶液中显示了极高的催化活性,其产氢过电势只有5 mV,塔菲尔斜率为53.6 mV/dec。长时间的循环伏安测试和电流-时间曲线测试,显示催化剂在酸溶液中具有较好的稳定性。(2)采用两步水热法合成了二硫化钼纳米片/硫化钴纳米线阵列/碳布三维电极(MoS2/CoS2/CC)。本实验选用碳布为基底,在其表面生长氢氧化钴纳米线阵列,然后与四硫钼酸铵水热反应硫化生成硫化钴纳米线阵列,并在硫化钴上沉积生长二硫化钼纳米片,同时实现对二硫化钼的钴氧掺杂。制备所得的MoS2/CoS2/CC显示了较低的过电势,在-87 mV的电压下可获得10 mA/cm2的电流密度,塔菲尔斜率为73.4 mV/dec,催化稳定性良好。(3)通过简单的真空抽滤和高温烧结,研制出一种钴纳米颗粒镶嵌在层状氮掺杂石墨烯间的柔性多孔三维电极(Co@NGF)。制备所得的石墨烯薄膜为柔性多孔结构,可直接用作电解水产氢电极,在0.5 mol/L的硫酸电解质溶液中有较高的电催化产氢活性,过电势仅为14 mV,在-124.6 mV的电压下可获得10 mA/cm2的电流密度,塔菲尔斜率为93.9 mV/dec。值得注意的是,本论文首次将Co@NGF电极作为阴极和阳极,即组成两电极体系进行电解水产氢测试,这为全方位的水解催化剂研究开僻了一种新的可能。这种制备技术,亦为水裂解技术的规模化提供了一种有效的途径。本论文采用多种工艺设计合成了三种高催化活性的电解水产氢三维电极,为柔性材料在可穿戴电子产品、柔性显示屏等应用上打下坚实基础。同时,通过深入研究催化剂组分和结构对产氢催化活性的影响,为高效稳定的电解水产氢催化剂提供重要指导。