摘要
氢能作为绿色环保的二次能源，是能源时代研究的重点课题。电解水制氢由于其产率高，产氢纯度高，操作工艺方便，成为目前最常用的制氢方法。但由于实际应用过程中，反应动力学缓慢，需要添加电催化剂。最开始使用贵金属材料Ru，Ir，Pt等作为催化剂首选，受限于贵金属原料少，成本高，因此开发非贵金属催化剂材料成为研究的重点方向。过渡金属硼化物由于特殊电子结构，表现出优异的催化性能，但同时也存在合成工艺复杂，功能单一等问题，因此本文设计合成掺杂的过渡金属硼化物，对其催化性能进行研究并与贵金属材料对比，为后续非贵金属催化剂的研究提供新的研究方向。主要研究内容如下： (1)非晶态硼化物Ni-Fe-Co-B的合成及电催化析氧性能 在电催化剂的研究中，含过渡金属Ni，Fe，Co基的催化剂材料被广泛研究且具有优异性能。本文选择过渡金属Ni，Fe，Co盐为原料，硼氢化钠(NaBH4)为B源，通过简单的液相合成制备了非晶态的三元过渡金属硼化物Fe-Co-B和四元过渡金属硼化物Ni-Fe-Co-B作为析氧反应催化剂，研究了在三元过渡金属硼化物最优金属比例的基础上，掺入另一种过渡金属Ni，探究其掺入的最优含量。通过不同的表征技术，证明了纳米级非晶态催化材料的成功合成，也表明材料由于金属之间的耦合作用和B的掺入具有优异的催化性能。四元过渡金属硼化物Ni-Fe-Co-B在20mA/cm2电流密度下，析氧反应过电位仅为299mV，Tafel斜率仅为101mV/dec，在恒电压测试下，具有12h以上的优异稳定性，为之后的过渡金属硼化物作为电解水催化剂的研究提供了选择依据。 (2)双金属硼磷化物的合成及电催化性能的研究 通过掺杂非金属原子可以有效的提高材料的催化性能，研究发现过渡金属硼化物和过渡金属磷化物为性能优异的析氧反应和析氢反应催化剂。本文在过渡金属硼化物的基础上，掺杂非金属原子P，合成过渡金属硼磷化物。选取过渡金属Ni，Fe盐为原料，硼氢化钠(NaBH4)为B源，次亚磷酸钠(NaH2PO2·1H2O)为P源，通过简单的液相反应合成单金属硼磷化物Ni-BP，探究B，P的最优比例，在最优B，P比例下，掺入另一种过渡金属Fe，合成双金属硼磷化物Ni-Fe-BP，探究双金属的最优比例。通过不同的表征测试，证明了纳米级非晶态的单金属硼磷化物Ni-BP和双金属硼磷化物Ni-Fe-BP的成功合成。研究结果表明，当Ni-Fe-BP中B∶P=5且铁含量为0.2时，材料的催化性能最佳。在20mA/cm2的电流密度下，析氧过电位为310mV，析氢过电位也仅为258mV，在恒电压测试下，具有12h以上的优异的稳定性。 (3)负载到碳纳米管上的双金属硼磷化物的合成及其电催化性能研究 碳基材料由于其独特的电子结构和良好的导电率以及高的比表面积，被认为是理想的催化剂载体。本文选择多壁碳纳米管作为催化剂载体，选取Co，Ni过渡金属盐为原料，硼氢化钠(NaBH4)为B源，次亚磷酸钠(NaH2PO2·1H2O)为P源，通过简单的液相反应合成负载到碳纳米管上的过渡金属硼化物Co-Ni-B和过渡金属硼磷化物Co-Ni-BP。实验探究了Co-Ni-BP中双金属的最优比例，以及多壁碳纳米管的最优浓度，通过不同的测试表征，证明了非晶态Co-Ni-BP和Co-Ni-BP/MWCNT材料的成功合成。研究结果表明当Ni含量为0.1时，碳纳米管浓度为1mg/mL时，Co-1Ni-BP/MWCNT1催化剂性能最优，在10mA/cm2的电流密度下表现出288mV的析氧反应过电位，和117mV的析氢反应过电位。对催化剂材料进行整体水分解的研究，发现在1.63V下即可达到10mA/cm2的电流密度，表明合成的Co-1Ni-BP/MWCNT1催化剂材料具有双功能特性，并且具有长达12h以上的优异电化学稳定性。
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