摘要
电化学分解水是制取清洁能源——氢气的有效手段，可以解决人类面临的能源枯竭问题。但析氧反应（OER）作为电化学分解水制氢技术中重要的半反应，其缓慢的四电子转移过程大大提高了水分解电压，这严重制约了电解水制氢技术的发展。所以开发高效、稳定和价格低廉的OER催化剂材料具有重要意义。黑磷（BP）作为新兴的二维材料，因具有类石墨烯结构以及优秀的电学特性，而受到电催化研究者的青睐。过渡金属也呈现了良好的OER性能，但是过渡金属纳米材料有严重的团聚及导电性差等不足，其OER性能受到很大制约。为此，本文提出利用BP纳米片作为载体，实施与不同过渡金属化合物的复合，以期实现两种材料之间的协同效应，提升体系的OER性能。全文主要研究内容如下: （1）以BP纳米片为磷源，通过一步溶剂热法分别合成了MnP/BP、FeP/BP、CoP/BP、NiP/BP和CuP/BP等复合材料。作为OER催化剂，在20mA/cm2电流密度下，MnP/BP、FeP/BP、CoP/BP、NiP/BP和CuP/BP复合材料的过电位分别为396、235、287、251和361mV，塔菲尔斜率分别为125.8、50.5、64.4、100.8和75.5mVdec-1，其中FeP/BP的电催化性最好，且该样品经过1000圈CV循环后其过电位依然是最低的。复合材料优良电化学性能得益于过渡金属磷化物与黑磷的协同作用，即既源于体系的电化学活性面积的增大，也源于导电性的改善，尤其BP纳米片为OER过程提供了快速的电子转移通道。 （2）以BP纳米片为载体，用硼氢化钠为硼源，通过水浴法制备了Fe2B/BP复合材料。作为OER催化剂，Fe2B/BP复合材料在20mA/cm2处的过电位仅为198mV，塔菲尔斜率为56.3mVdec-1，尤其经历1000圈循环后，过电位仅增加了约6%，表现出良好的稳定性。BP纳米片和Fe2B相互成为彼此的分散剂，降低了各自的团聚性，使活性位点充分暴露，电化学活性表面积显著增大，同时黑磷的存在也降低了体系的传导电阻，这些均有助于提升Fe2B/BP的电催化性能。 （3）通过水热法，在BP纳米片表面生长FeOOH，制备出FeOOH/BP复合材料。作为OER催化剂，该复合材料在20mA/cm2的电流密度处的过电位仅为191mV，塔菲尔斜率为49.9mVdec-1，电化学双层电容达到26.9mF/cm2。在循环1000圈后过电位仅仅增加了3mV，改变不到1.6%，几乎不变化，且元素价态无变化，表现出优秀的稳定性。由于FeOOH自身是非含氧型过渡金属化合物的OER最终产物，使复合材料稳定性得到极大提升。 通过改进复合方案，不断提升了复合体系的电催化性能，改进了体系的电化学稳定性，为黑磷基材料应用技术的发展，寻求有效途径。
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