摘要
氢作为一种理想的能源载体，具有能量密度大、绿色无污染的特点，有望将会成为未来能源结构中的一个重要组成部分。由可再生能源驱动的电解水制氢是一种可持续的绿色制氢方式。另外，由于淡水资源匮乏，利用储量丰富的海水代替淡水是降低制氢成本的有效措施之一。当前，对于阴极析氢反应（HER），贵金属铂是人们熟知的高效析氢催化材料，但由于其价格昂贵、储量稀少，极大地制约了它的产业化应用。因此，发展廉价、高效和长寿命的过渡金属基析氢催化剂是一项非常重要的工作。在本论文中，以廉价的钼、铜、铬金属为研究对象，重点围绕高性能的钼基催化剂的设计、制备及其组分-结构-碱性析氢性能之间的内在联系等关键科学问题展开研究。主要研究进展如下： (1)通过水热及氮化热处理的方法合成了负载于泡沫镍的氮掺杂二氧化钼/金属铜异质结纳米片电催化剂（N-MoO2/Cu）。研究结果表明，氮掺杂与异质结构的协同作用有效的调节了电子结构，有效提高了催化剂的HER催化性能，所得催化剂在10和1000mAcm?2的电流密度下分别仅需40和363mV的低过电位，并且在10、100和1000mAcm?2的电流密度下50小时的恒流测试中显示出较高的稳定性。此外，该催化剂与Ni-FeLDH耦合组装的碱性电解槽显示出1.49V的低电压以驱动10mAcm?2的电流密度，在风电系统驱动下可连续稳定地制氢。该工作例证了元素掺杂和异质耦合协同作用在提升碱性析氢活性的关键作用。 (2)通过水热、室温掺杂和热还原处理制备了硼掺杂的氧化钼与金属钴的电催化剂（B-MoOX/Co/NF）。研究结果表明，该催化剂具有较高的电化学活性面积，其纳米片结构有利于活性位点的暴露，同时硼掺杂、异质结构协同有效调节了组成相的电子结构。由此，B-MoOX/Co/NF电催化剂展现出优异的HER性能，在1MKOH中只需要32mV过电位就可以驱动10mAcm-2的电流密度，在10和100mAcm-2的电流密度下进行的恒电流测试50h均未发生明显衰退，该工作为合成低成本、高效的过渡金属催化剂提供了一定的参考。 (3)采用水热和热处理方法制备了负载于泡沫镍的氮化铬/氮化钼异质结构的电催化剂（CrN/Mo2N/NF）。研究结果表明，金属氮化物异质结构的构建有效触发了两相间的电子转移，增强了CrN/Mo2N/NF催化剂的析氢活性，且该催化剂具有特殊的纳米片组成的纳米微球结构，有利于增加比表面积和活性位点的暴露。因此，该催化剂在碱性淡水/海水中表现出优异的HER性能，在驱动1000mAcm-2的工业级电流密度分别只需要291和329mV的过电位，并且在碱性海水中10、100和1000mAcm-2的恒流测试50h下表现出良好的稳定性。该项工作为设计高效、低成本、高稳定性的工业应用级碱性淡水/海水电催化剂提供了一定的参考。
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