摘要
由于不可再生能源的匮乏和环境污染问题的日益加剧，开发一种新能源来缓解当前问题迫在眉睫。而氢能作为新能源之一，具有零污染和热值高的优点，被认为是当前最具发展潜力的清洁能源。与传统的制氢技术相比，电解水制氢技术因为拥有可持续且环境友好的特性而脱颖而出，被认为是最具前景的制氢技术。目前，贵金属基催化剂因为高效的催化活性而被用于电解水制氢，但贵金属的稀缺性和昂贵性却在很大程度上限制了其在工业等领域的广泛应用。因此，开发一种具有低成本、储量高且性能优异等优点的非贵金属催化材料，对进一步开发和利用氢能源具有重大的意义。在众多的过渡金属基催化材料中，过渡金属磷化物因其自身的良好导电性、优异催化活性和高稳定性等优点，而得以广泛的开发研究并成为当下催化材料的研究热点之一。然而，过渡金属磷化物在电解水中的性能还远不如贵金属基催化剂，还需研究者们对其性能进行进一步的改性提升。通过在过渡金属磷化物中掺杂入另一种金属元素而形成一种双过渡金属电催化剂是提升过渡磷化物性能的有效方法之一。本论文通过简单的水热和磷化方法制备得到了三种不同的双过渡金属磷化物电催化剂，分别为：Mo0.2Co0.8P/CC、Ce-CoPNWs和W-Ni2PNS。研究内容如下： （1）采用了钼元素（Mo）作为掺杂元素，通过水热磷化方法制备了一种钼掺杂磷化钴（CoP）的双过渡金属电催化剂（Mo0.2Co0.8P/CC），并调整Mo：Co的掺杂比例。在不同比例的Mo掺杂CoP双过渡金属电催化剂中，得到Mo0.2Co0.8P该比例下的电催化剂具有最佳析氢性能。通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）以及X射线光电子能谱（XPS）等对其形貌、晶体结构以及价态分布进行相应的表征，表明Mo0.2Co0.8P/CC电催化剂具有致密纳米线结构和高比表面积等特点。通过电化学测试对该电催化剂在不同电解液（0.5MH2SO4和1MKOH）中的析氢（HER）电催化活性和稳定性进行了分析。 （2）为了探究稀土元素的改性作用，采用了具有特殊4f轨道的铈元素（Ce）对磷化钴（CoP）进行掺杂改性，得到了一种由纳米线组成的巢状结构双过渡金属电催化剂。通过改变Ce的含量来改变掺杂比例，并得到了最佳性能的Ce掺杂CoP电催化剂（Ce-CoPNWs/CC）。在相结构、形貌和价态分布等测试表征中，证明了该电催化剂具有鸟巢状的特殊形貌结构且均匀负载在碳布表面。在电化学测试中可以得出，Ce-CoPNWs/CC在碱性介质中均表现出了优异的析氢（HER）、析氧（OER）和全解水催化活性以及良好的稳定性。 （3）鉴于钨元素（W）对水具有亲和性及与对形貌具有改善作用的特性，本研究使用了W作为掺杂元素对磷化镍（Ni2P）进行掺杂改性。通过改变W的掺杂比例中得到了最佳比例的W掺杂Ni2P双过渡金属电催化剂（W-Ni2PNS/CC）。在对其进行相结构、形貌结构和价态分布等物相表征和分析后，证明了W-Ni2PNS/CC在掺杂后具有相结构的转变及其形貌结构由尺寸较小且相互交叉的纳米片组成。在析氢（HER）、析氧（OER）以及全解水过程的电化学测试中，W-Ni2PNS/CC的电催化性能和稳定性都有卓越的表现。
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