摘要
在我国“碳达峰”和“碳中和”的大背景下，未来几十年大量终端应用都将实现去碳化目标，氢能无疑将逐步成为市场关注的热点。电解水制氢因其绿色环保且可与太阳能、风能发电技术相结合的特点，在在众多制氢方法中脱颖而出。然而，电解水反应效率强烈依赖于贵金属催化剂，使得电解水制氢成本居高不下，难以形成规模化的应用。因此，开发具有成本效益的非贵金属催化剂对实现电解水制氢规模化应用具有重要意义。但是，非贵金属催化剂尤其是单组分催化剂的电解水活性难以与贵金属媲美。构建多组分的异质结构可以耦合不同组分的优势，优化电子结构，调控反应中间体的吸附能，已被证明可以有效增强催化剂的电解水活性。因此，本文通过界面工程策略构筑了两类镍（钴）钼基异质结构催化剂，并测试了其碱性条件下的电化学性能。主要研究内容如下： 1.通过自牺牲模板法设计和构建了Fe掺入的Ni/MoO2异质结构空心纳米棒（NiFe/Fe-MoO2）催化剂。NiFe/Fe-MoO2具有丰富的异质界面和优化的电子结构，而且独特的空心纳米棒形貌还赋予其更大的比表面积。电化学测试结果表明NiFe/Fe-MoO2异质结构催化剂在碱性和海水溶液中均表现出优异的OER活性（1MKOH:η20=213mV，碱性海水:η20=219mV）和类铂的HER活性（1MKOH:η10=34mV，碱性海水:η10=38mV），同时能够稳定析氧和析氢70h。与最近报道的自支撑型的镍钼基催化剂相比，NiFe/Fe-MoO2异质结构催化剂的OER和HER性能亦具有很大的竞争力。当将NiFe/Fe-MoO2异质结构催化剂用于全水解测试时，只需要1.48V电压就能达到10mAcm-2的电流密度。即使是用于海水电解，在10mAcm-2的电流密度下，电压也仅为1.51V，远优于目前的商业的Pt/C||RuO2电极对。本研究为构筑高效的镍钼基异质结构催化剂用于碱性水和海水电解提供了有益的启示。 2.以针状的碱式碳酸钴（CoCH）作为前驱体，通过二次水热引入钼酸根离子，最后经高温还原制备了成分可控的片状的Co-Mo-O金属/金属氧化物异质结构催化剂。通过改变还原温度（400，500和600℃）可以制备一系列不同相组成的Co-Mo-O金属/金属氧化物异质结构催化剂（CoO/Co2Mo3O8，Co/CoO/Co2Mo3O8和Co2Mo3/Co/Co2Mo3O8）。在温和温度下还原得到的Co/CoO/Co2Mo3O8异质结构催化剂具有最合适的相组成，在电化学测试中呈现出较大的电化学活性面积和较快的电荷转移速率。其在1MKOH溶液中，仅需低至22和181mV的过电位就能分别驱动10和1000mAcm-2的电流密度，优于商业的Pt/C催化剂；而且在1000mAcm-2左右的电流密度下能稳定工作100h仍能保留93%的活性。此外，在碱性海水溶液中，Co/CoO/Co2Mo3O8异质结构催化剂在10和1000mAcm-2下的过电位分别为26和266mV且在近1000mAcm-2的电流密度下稳定析氢100h。这项工作为合理调控钴钼基异质结构催化剂的相组成来优化催化剂的HER性能提供了新的思路。
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