摘要
随着经济的发展和人口的增长，加速了地球上不可再生燃料的消耗和对环境的影响，这促进了人们对可再生能源（如太阳能、风能、水电和潮汐能）的开发和利用。然而，这些可再生绿色能源本身的间歇性和不稳定性限制了它们的利用率。具有清洁、效率高等特点，能够被储存的可再生氢能被认为是理想的能量载体。此外，发展氢能与现在提倡的零碳或减碳排放战略符合，利用可再生的电力实现电催化水分解析氢技术能很好的适应环境友好、能源可持续的发展要求。发展能降低电解水析氢反应中的活化能垒并提高反应动力学的电催化材料是一个重大挑战。要求设计对催化剂的尺寸形貌调控，采用合金化、界面支撑效应等调节电子结构，从而提高催化剂的本征活性，增加活性位点的数量。本论文采用超声还原剂还原法和原位电化学还原法采取界面支撑、合金化等策略，分别制备了具有3D自支撑的纳米电催化剂材料，并将这些催化剂用于电催化析氢反应（HER）中，主要的研究发现总结如下： （1）本文采用界面支撑效应制备了一种在不同氢化时间的TiH2基底上负载Pt的电催化剂。通过原位电化学氢化对基底引入氢，这种氢可以调节Ti的配位从而调控电子结构，将TiO2还原为TiH2。还原气氛下用热解法将Pt负载在基底上，基底的氢分子能给电子到Pt，产生界面效应，将Pt固定在催化剂表面。此外，在降低了贵金属Pt的负载量，降低催化剂成本的同时又提高了催化剂性能。在电流密度分别为10，100，1000mAcm-2时，其过电位分别为14,82,102mV，tafel斜率为41.71mVdec-1，可以在100mAcm-2的电流密度下稳定工作150h。密度泛函理论计算证明H2O吸附在Pt-TiH2表面具有较低的解离能垒，同时Pt吸附两个H中间体（H*），在表面生成H2分子释放，因此HER极易发生。由于催化剂对钙镁离子的吸附能小，从而不易吸附钙镁离子形成不溶性物质堵塞催化剂，良好的稳定性也得到进一步解释。 （2）本文提出了一种简单、方便、环保、超快的新方法来快速合成NMAs。将还原剂NaBH4和超声波的作用结合到凝胶化过程中，在超声波的空化作用下产生巨大的能量，伴随着加热和搅拌效果，凝胶化反应可以迅速进行，甚至可以在几十秒钟内就可以完成，这比以前的报道要快得多。它可以在很宽的浓度范围内（0.02-62.5mmol/L成功完成凝胶化过程）。该方法适用于合成单一金属气凝胶（Au,Ag,Ru,Rh,Pd），双金属和三金属气凝胶（Au-Ag、Au-Rh、Au-Ru、Au-Pt、Au-Pt-Pd），而合金气凝胶的韧带尺寸为10nm甚至更小。我们还发现了这种贵金属气凝胶材料在HER和EOR中出色的电催化性能。本项工作报道了一种迅速而有效的NMAs合成方法，有利于其在电催化领域的进一步应用。
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