基于廉價(jià)金屬復(fù)合材料電催化劑設(shè)計(jì)、合成及性能研究.pdf

1、由于對非再生化石燃料資源的過度依賴，給人類社會與生態(tài)環(huán)境帶來了巨大負(fù)面影響，尋找可替代清潔能源是未來人類發(fā)展急需解決的重大問題。燃料電池作為一種轉(zhuǎn)換裝置可將化學(xué)存儲能量直接轉(zhuǎn)化為電能，具有高轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境親和性、燃料多樣、用途廣泛等特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來最有潛力的能源供給裝置。然而，燃料電池所須的高成本貴金屬催化劑嚴(yán)重制約了其商業(yè)化發(fā)展，人們迫切需要開發(fā)設(shè)計(jì)低成本、高活性、高穩(wěn)定性的少貴金屬或非貴金屬電催化劑來降低燃料電池生產(chǎn)成本。本論文著

2、眼于這一點(diǎn)，首先綜述了幾種與能源轉(zhuǎn)換裝置相關(guān)的重要電化學(xué)反應(yīng)，及各電化學(xué)反應(yīng)催化劑的研究進(jìn)展。重點(diǎn)闡述了用廉價(jià)碳基或過渡金屬硫族化合物復(fù)合材料設(shè)計(jì)、合成新型非貴金屬催化劑所取得的研究進(jìn)展。值得注意的是，目前發(fā)展的一些低成本復(fù)合材料催化劑在催化活性、穩(wěn)定性或規(guī)?；a(chǎn)總會在某一方面不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求?；诖?，我們理性地選擇產(chǎn)量大、低成本、有催化應(yīng)用前景的過渡金屬硫族化合物為主要研究對象，通過“化學(xué)嫁接”方法將合適的功能納米材料與其復(fù)合

3、雜化，利用不同材料間的化學(xué)耦合作用調(diào)節(jié)功能材料的電子結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到提高復(fù)合材料催化活性及穩(wěn)定性的目標(biāo)。所取得主要研究結(jié)果如下:
　　1.將CoSe2/DETA納米帶與CeO2納米晶“化學(xué)嫁接”，制備了CoSe2/CeO2雜化納米帶。研究發(fā)現(xiàn)這種雜化納米帶不但具有原始CoSe2納米帶超薄、多層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且通過與其他粒子的相互作用可大大提高復(fù)合材料的催化性能。探討了CoSe2納米帶與CeO2納米晶結(jié)合后電子結(jié)構(gòu)變化，并發(fā)現(xiàn)相比Co

4、Se2納米帶，雜化材料的電化學(xué)催化活性和穩(wěn)定性均有很大改善。由于CeO2/CoSe2雜化納米帶表面負(fù)載了富含氧空穴的CeO2納米顆粒從而更易于吸附含氧基團(tuán)等中間產(chǎn)物利于電催化析氧反應(yīng)的進(jìn)行，而且材料間的化學(xué)耦合作用改變了Co電子結(jié)構(gòu)對于提高催化性能有很大貢獻(xiàn)。
　　2.發(fā)展了CoSe2/碳點(diǎn)復(fù)合材料的制備方法。選擇具有高比表面積的層狀CoSe2/DETA納米帶為主體材料，將碳量子點(diǎn)引入到CoSe2/DETA納米帶合成過程中，使其參

5、與成核生長，最終得到了一種新型CoSe2/碳點(diǎn)三維納米球復(fù)合材料。由于半結(jié)晶態(tài)的碳點(diǎn)在CoSe2/DETA納米帶中的嵌入生長，改變了原始CoSe2/DETA納米帶的物相，得到一種正交相與立方相的混合物。研究發(fā)現(xiàn)新正交相結(jié)構(gòu)的存影響了原始Co的配位數(shù)，從而改變材料的電子結(jié)構(gòu)，有利于材料電催化析氫反應(yīng)催化活性的提高;并且由于碳點(diǎn)的嵌入，復(fù)合材料的無序度增加降低了材料表面能，改善了材料的催化穩(wěn)定性;此外，正交相結(jié)構(gòu)CoSe2具有的特殊電子結(jié)構(gòu)

6、更利于電催化析氧反應(yīng)的進(jìn)行，因此這種CoSe2/碳點(diǎn)復(fù)合材料有望作為一種雙功能的電催化水解催化劑。
　　3.發(fā)展了原位生長法制備三維碳纖維氈-CoSe2復(fù)合電催化析氫陰極材料。選擇已規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維氈作為基底材料，在碳纖維表面原位生長CoSe2/DETA納米帶，獲得一種三維電催化析氫陰極材料，這種宏觀電極材料具備優(yōu)異的電催化析氫活性（具有較高的交換電流密度5.9×10-2 mA/cm2，在較低過電勢141 mV下即可達(dá)到10