过渡金属磷化物的可控合成与电催化性能的研究
电解水作为一种较为理想的可持续性制氢方式受到了广泛的关注，但是其大规模的商业化应用受限于铂基析氢反应(HER)催化剂高昂的成本。过渡金属磷化物(TMPs)因储量丰富、成本低廉、有望成为替代品而被广泛研究。然而，目前TMPs的HER活性离Pt仍有差距，对于其催化活性和稳定性的改善，杂原子掺杂和构筑微纳阵列结构是较为有效的策略。另外，将TMPs应用于质子交换膜水电解(PEMWE)，进行性能影响因素的探究，对于优化操作工况、提升PEMWE性能具有重要的实际价值。本论文围绕掺杂型TMPs纳米阵列的制备、组成与形貌表征、HER电化学性能测试、机理探究和PEMWE性能影响因素的分析展开研究，具体内容如下: (1)采用简单水热-低温气相磷化法合成出Cr掺杂CoP纳米棒阵列(Cr-CoP-NR/CC)。其展出高的HER电催化性能，仅需38和209mV的超电势来驱动10和500mA·cm-2的电流密度，在高电流密度下实现了对商用Pt/C性能的超越。在500mA·cm-2的电流密度下工作20h后，HER性能几乎没有损失，展现出良好的电化学稳定性。HER高性能来源于Cr的掺杂，它可以优化CoP的氢结合能并防止其氧化，提升本征活性和稳定性;同时纳米棒阵列结构有助于活性位点的充分暴露和H2的逸出，从而适应高电流密度的工作条件。作为非贵金属基的TMPs，Cr-CoP-NR/CC展现出取代PEMWE中储量有限、成本高昂的铂基HER催化剂的潜力。 (2)使用Cr-CoP作为阴极催化剂、商业IrO2作为阳极催化剂构筑膜电极组件，应用于PEMWE器件，并探究了操作工况参数对PEMWE性能的影响。通过优化Cr-CoP载量、电解液pH、电解液流量、测试温度，实现了PEMWE性能的提升。在55℃下测试，2.5V所对应的电流密度达到1.414A·cm-2。采用高载量催化剂、低pH电解液、大流量送液、高温测试的条件，在一定范围内可以提升PEMWE的性能，但还应考虑极端条件对测试系统稳定性的影响，合理选取工况参数。
氢气析出反应;过渡金属磷化物;磷化钴;铬掺杂;纳米棒阵列;质子交换膜水电解
北京化工大学
硕士
化学工程
庄仲滨;马晓玲
2021
中文
TQ116.2
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）