提高电裂解水效率，开发高效电化学分解水催化材料的研究

提高电裂解水效率，开发高效电化学分解水催化材料的研究

概括：

发展能够替代不再生化石能源的新能源，在保护环境的同时构建可持续的能源体系至关重要。氢能是目前最热门的新能源之一，在一定电压的驱动下，水可以分解为氢气和氧气。因此，提高水电解效率、开发具有丰富活性位点的过渡金属电催化剂无疑对未来可再生能源—氢能转化、能源体系调整起到重要作用。目前，许多研究者通过采用设计纳米结构、添加导电载体或掺杂其他元素等技术，开发出高效的电化学水分解催化材料。基于以上观点，本文通过实验优化，制备了三种基于过渡金属泡沫镍的多组分复合电催化剂。通过一系列物理表征和电化学测试，研究了制备的电催化剂的形貌、结构、元素组成和水电解性能。 开展的主要工作如下：（1）以泡沫镍为基底，采用双氧水对其表面进行部分原位氧化，然后采用溶胶-凝胶浸渍法将MoS2和石墨烯负载在NiO@Ni基底上，在Ar-H2气氛中经500℃退火4 h制备MoS2--NiO@Ni复合材料。采用XRD、SEM、TEM和XPS对复合催化剂进行表征，分析表明，催化材料表面形成了致密的MoS2--NiO褶片状结构。利用电化学工作站在三电极体系中在碱性电解液（1 M KOH）中测试其析氢性能，实验表明，在10 mA·cm~（-2）时，复合材料的过电位为150 m V，Tafel斜率为80 m V·dec~（-1），电荷转移电阻（R_（ct））为15。

14Ω,且稳定性良好。（2）以泡沫镍为基底,以镍源、硒粉、水合肼和钼酸钠为原料,采用一步水热法原位合成了Mo Se_2/Ni Se/@Ni复合催化材料。通过XRD、SEM、TEM和XPS对复合催化剂进行表征,材料表面形成互交的硒化钼纳米片与硒化镍微岛的结构。利用电化学工作站在三电极体系中在碱性电解液（1 M KOH）中测试其电解水性能。实验表明,作为HER过程,10 mA·cm~（-2）所需的过电位和Tafel斜率分别为113 m V和85.7 m V·dec~（-1）。 作为OER过程,在电流密度为100 m V·dec~(-1)时,过电位为397 m V,Tafel斜率为44.9 m V·dec~(-1)。作为完全催化分解水阴极和阳极时,仅需1.583 V的电池电压即可达到10 mA cm-2的电流密度,表明该材料有作为完全分解水双功能电催化剂的潜力。（3）以泡沫镍为基底,二氧化硒和仲钼酸铵为原料,先采用电化学沉积法制备Mo Se_2@Ni,然后在0.01 M硝酸铁九水合物溶液中通过简单浸没自生长法生长出Fe OOH-Mo Se_2@Ni复合催化材料。

利用SEM和XPS对复合催化剂进行了表征,材料表面形成了Fe OOH纳米棒。利用电化学工作站在三电极体系中碱性电解液(1M KOH)测试了其电解水性能。对于HER,10 mA·cm~(-2)所需的过电位和Tafel斜率分别为128 m V和99.4 m V·dec~(-1)。对于OER,在电流密度为20 mA·cm~(-2)时,过电位为306 m V,Tafel斜率是67.8 m V·dec~(-1)。无论用作析氢还是析氧材料,其均具有比较稳定的性能。

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