摘要
氢能是一种新型能源，因其储能密度高、无二氧化碳（CO2）排放等优点，近年来受到了广泛关注。电解水分解制氢被公认为是环境友好、高效的制氢方式。然而，在较低的过电势条件下，需要高效的催化剂来同时实现阳极电催化析氧（OER）和阴极电催化析氢（HER）。贵金属纳米材料是最常见的电催化剂，但高昂的价格阻碍了其广泛应用。通过提高贵金属的利用率来提升氢气的制备效率成为电解水制氢的有效策略。本论文通过制备一种新型通用的碳气凝胶（CG）负载贵金属团簇（＜2 nm）电催化剂，达到了高效的HER和OER催化，并分别组装成阴极和阳极，实现了优异的全水分解。具体研究工作如下: 1、使用聚乙烯亚胺-聚多巴胺共修饰的纤维素纳米晶（PEI-PDA/CNCs）作为载体材料，采用简单的水热法使贵金属团簇负载到PEI-PDA/CNCs上，冷冻干燥后得到气凝胶，将其煅烧制得碳气凝胶负载Pt纳米团簇（CG-Pt）电催化剂。在碳气凝胶上所负载的Pt纳米团簇尺寸均匀，粒径约为2 nm。Pt负载质量分数1.19％（CG-Pt-1.19％）催化剂显示出最佳的HER催化性能，在10 mA cm-2下过电势仅为23.6 mV,在0.1V下的TOF值为7.492 s-1,比Pt/C的值（1.966 s-1）高约3倍。在10000个CV循环后，过电位曲线没有明显变化，即使在10 mA的恒定电流下连续测量35小时后，过电位仍保持稳定，具有出色的电化学稳定性。DFT结果表明，Pt38团簇上的电解水活性高于Pt（111）表面，CG上的N掺杂调节了Pt38团簇的局域电场，更有利于电催化析氢反应。 2、通过上述通用的方法合成了CG-Ir催化剂。CG-Ir-1.62％显示出低的OER过电位，在10 mA cm-2下过电势仅为242 mV,在0.3 V下的TOF值为3.64 s-1,均优于工业IrO2催化剂（278 mV和0.59s-1）。在10 mA的恒定电流下连续测量65小时后，过电位仍保持稳定。将CG-Pt-1.19％|| CG-Ir-1.62％构建全解水系统，在恒定10 mA cm-2电流密度下其槽电压仅需1.43 V，低于工业Pt/C || IrO2（1.57 V@10mAcm-2）电解槽全解水性能。将上述两种材料组装成膜电极，，在40 h恒电流电解水后，电流密度为50mAcm-2时，其过电位仍然稳定在2.2 V左右，这个结果为催化剂在工业大电流的使用提供了可能。利用气体收集装置，将收集到的氢气和氧气的体积与理论计算结果进行对比，得到法拉第效率，最后的结果表明氢氧的产率都几乎达到了100％。
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