三维石墨烯负载非贵金属磷化物纳米颗粒的制备及其电解水性能研究
近年来，寻找清洁和可持续的能源载体以取代传统的化石燃料已引起众多的研究关注，这有望解决全球能源危机和环境污染问题。氢气由于具有高的质量能量密度、丰度和清洁度，被认为是一种比较理想的能源载体，用来满足日益增加的能源需求。水电解提供了一种环境友好的方式来制备可持续的氢。由于电解水析氢反应(HER)本质上具有缓慢的动力学的不足，需要有效的电催化剂来促进这些反应。目前，Pt基金属是最具功效的HER催化剂，但它们本身的稀缺性和难以商业化的高成本的缺陷，阻碍了其众多的潜力应用。为此，迫切需要探索，合成具有低投入成本和高效的非贵金属电催化剂。 过渡金属磷化物(TMPs)已被证明是高性能HER电催化剂之一，其中，Ni2P具有良好的导电性，在宽的pH范围内具有较高的稳定性以及元素Ni和P均具有高元素丰度。设计三维纳米结构，可以最大程度地暴露催化剂表面上的活性位点。三维石墨烯具有众多丰富的大孔结构和多维电子传输路径等特性，可作为催化剂的载体;另外构造异相界面也可以有效地增加材料的电活性位，并具有对电催化剂的强大协同效应，进而提高催化性能。本文成功合成三维氮掺杂石墨烯负载Ni2P/Ni5P4纳米颗粒复合材料(Ni2P/Ni5P4@3DNG)并研究了其电催化析氢性能。主要工作如下: 1)通过水热法将氧化石墨烯(GO)自组装得到三维石墨烯(3DG)，然后将其浸泡在含有Ni2+和H2PO2-的前驱溶液中，然后通过磷化步骤，制备出了三维石墨烯负载Ni2P颗粒(Ni2P@3DG)。同时，研究了影响合成过程中的因素如前驱液浓度。 2)进一步在载体三维石墨烯上掺杂氮，制备出Ni2P颗粒负载于三维氮掺杂石墨烯(Ni2P@3DNG)，并研究了其酸性条件下的催化剂性能。在其合成步骤中，并研究了前驱溶液的P∶Ni比因素对其材料制备的影响，进而比较对HER催化性能的影响。 3)通过类似的制备工艺，同时将氮源加入，并在石墨烯表面合成了Ni2P/Ni5P4异相颗粒，制备了三维氮掺杂石墨烯负载Ni2P/Ni5P4纳米颗粒复合材料(Ni2P/Ni5P4@3DNG)，并研究了酸性条件下Ni2P/Ni5P4@3DNG催化剂的HER性能。结果表明，Ni2P/Ni5P4@3DNG与其他非贵金属催化剂相比，具有一定的优势。在0.5MH2SO4电解质中，Ni2P/Ni5P4@3DNG催化剂在-10mAcm-2的电流密度仅需139mV的过电势和59mVdec-1的Tafel斜率。Ni2P/Ni5P4@3DNG电催化剂具有优异的HER催化性能可归因于(1)相互交联的大孔/介孔结构以及高比表面积提供了更多的HER催化活性位，(2)三维交错联接的网状结构能够增强离子的扩散，以及促进电子的迁移，从而使催化剂的导电性提升，提高HER反应动力学。(3)Ni2P/Ni5P4颗粒与载体之间的协同效应。
纳米颗粒;三维氮掺杂石墨烯;析氢反应;电解水性能;过渡金属磷化物
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
徐联宾
2021
中文
O643.36
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）