摘要
过量消耗的化石能源造成的环境恶化和资源枯竭等问题严重影响着人类赖以生存的环境。氢气作为一种热值高、原料来源广和燃烧清洁的能源载体一直备受瞩目。相较于化石能源制氢，电解水制氢得到的氢气品质更高而且能摆脱对化石能源的依赖。电解水制氢包括两个电化学反应，分别是涉及二电子转移的析氢反应（HER）和四电子转移的析氧反应（OER）。涉及电子转移数越多意味着反应需要在更大的过电位下进行，也意味着OER比HER的能源消耗更大。开发出高效廉价的，尤其是具有出色OER活性的全解水电催化剂来降低制氢的能耗以及成本至关重要。异质原子掺杂是有效提高非贵金属电催化剂催化活性的方法。本论文选用本征催化活性高的铁原子对过渡金属磷化物（TMPs）进行异质原子掺杂，探索了铁掺杂对TMPs电催化活性的影响。本文的研究内容及取得的研究成果主要体现在以下方面： 1、获得了高效的铁掺杂磷化钴（Fe0.27Co0.73P）析氢和析氢双功能催化剂。首先在钴基金属有机框架（ZIF-67）的原位合成过程中，控制金属盐溶液中钴与铁的原子比例，得到不同程度铁掺杂的ZIF-67前驱体；接着对前驱体进行磷化处理，制备出了一系列不同铁掺杂程度的磷化钴纳米颗粒（Fe-CoxP）。相较于未掺杂的磷化钴，拥有最佳铁掺杂比例的磷化钴（Fe0.27Co0.73P）纳米催化剂的OER和HER活性都得到增强。在1M KOH碱性溶液中，Fe0.27Co0.73P驱动HER达到10mA cm-2的电流密度只需186mV过电位，而CoxP达到相同电流密度则需要252mV过电位；在OER催化过程中,Fe0.27Co0.73P达到10mA cm-2的电流密度只需251mV过电位，而CoxP达到相同电流密则需要327mV过电位。此外，将Fe0.27Co0.73P作为电解池的阴阳两极进行全解水反应时，其驱动10mA cm-2的电流密度只需1.68V的槽电压。 2、制备了高效的铁和氧共掺杂磷化镍自支撑电极（(Fe0.1Ni0.9)2P(O)/NF）。通过调控水热反应溶液中铁和镍的原子比例，在导电基底泡沫镍（NF）上生长出了一系列不同程度铁掺杂的镍基金属有机框架（Fex-Ni1-x-MOF/NF）。然后，将所得的前驱体进行磷化处理，得到了不同程度铁和氧共掺杂的磷化镍自支撑电极（(FexNi1-x)2P(O)/NF）。电化学测试表明(Fe0.1Ni0.9)2P(O)/NF电极表现出高的电化学活性；在1M KOH碱性溶液中，电极驱动HER达到10mA cm-2的电流密度仅需87mV过电位；在OER催化过程中,达到100mA cm-2的电流密度只需240mV过电位。此外，将(Fe0.1Ni0.9)2P(O)/NF自支撑电极直接作为电解池的阴阳两极进行全解水反应时，达到10mA cm-2的电流密度只需1.50V的超低槽电压。(Fe0.1Ni0.9)2P(O)/NF自支撑电极优异的电催化活性超过了大部分目前已报道的非贵金属催化剂。
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