半導體納米材料的制備及其電催化析氫性能的研究.pdf

1、氫能，作為一種高效、清潔、理想的可再生能源，具有資源豐富、易儲存、能量密度高、燃燒產(chǎn)物無污染等眾多突出的優(yōu)點。隨著能源危機和環(huán)境污染等問題的日益嚴重，發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為全球的共識。氫能作為一種綠色可再生能源，越來越受到人們的關注。在目前的眾多制氫技術中，電解水制氫因其具有操作簡便、成本低廉和無污染等優(yōu)點，被認為是一種最具有潛力的制氫途徑。而發(fā)展過電位較低的析氫材料以降低能耗是電解水發(fā)展的關鍵。高效的析氫電極材料應具有導電性好、比表面

2、積大、析氫過電位低、電催化活性高、電化學穩(wěn)定性好以及抗腐蝕性強等特點。目前，鉑族類金屬是最好的電催化析氫材料，但其稀缺性和昂貴的成本嚴重制約了它們的商業(yè)應用，因此研究和開發(fā)新的、成本低廉的、催化活性高的電催化劑成為當務之急。
　　本論文研究的目的是制備催化析氫性能優(yōu)異的電催化劑，并探究其電催化析氫性能。取得的研究成果如下:(1)本文報道了一種簡易的一步制備Fe2P/氮摻雜石墨烯(Fe2P/NGr)復合結構的方法，并探究了該復合結構

3、的催化析氫性能。結果表明這種復合結構具有很好的形貌結構特征，其中氮摻雜石墨烯為層狀結構，層數(shù)少于10層，F(xiàn)e2P納米顆粒直徑非常小，且均勻附著在氮摻雜石墨烯上。該復合結構在酸性和堿性溶液中都有很高的催化析氫活性，當電流密度為20 mA cm-2時，在酸性和堿性溶液中的過電位分別為164和376 mV，且在兩種溶液中電催化析氫性能都很穩(wěn)定。本文通過測試純相Fe2P納米顆粒和純相氮摻雜石墨烯(NGr）的催化析氫性能的對比實驗證實了Fe2P/

4、NGr復合結構的催化析氫活性物質(zhì)為Fe2P納米顆粒，同時氮摻雜石墨烯的存在有利于加快電子在電極間的傳輸，從而提高復合材料的催化活性。本文還通過溫度改變的對比實驗證實了溫度對該復合材料催化析氫活性的影響主要是體現(xiàn)在對Fe2P納米顆粒的物相純度和顆粒尺寸的改變上。(2)通過兩步溶劑熱反應制備了催化劑Co9S8納米管，該催化劑呈發(fā)散的納米管狀結構，納米管由眾多細小的納米顆粒組成。該結構在堿性條件下電催化制氫性能優(yōu)異，在電流密度為20 mA c

5、m-2時，過電位為320mV，且能穩(wěn)定催化析氫，該實驗結果表明其它金屬硫化物在電催化水分解析氫方面也可能有潛在應用。(3)通過水熱反應和低溫磷化反應制備了以碳紙為載體的FeP納米線復合結構(FeP/Carbon Paper，F(xiàn)eP/CP)，該復合結構形貌很好，其中FeP均勻負載在碳紙上，為長度約幾百納米的納米線結構。該復合結構電催化析氫性能優(yōu)異，當電流密度為20 mA cm-2時過電位為89 mV，過電位數(shù)值比當前報道的大多數(shù)催化劑在相