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摘要
能源危机与环境污染促使新型能源转换体系的出现,即利用风能、水能和太阳能
等可再生能源转化为绿色电能,再通过电催化技术将绿色电能转化为化学能,储存于
氢气、电池或其它高附加值化学品中。氢能通常被认为是最理想的能源载体之一,其
具有高热值、绿色清洁和可持续等优点。然而,电催化水分解制氢技术目前仍面临着
高昂的催化剂成本与较低的催化效率等挑战,并且催化活性和稳定性也有待进一步提
升以实现工业化应用。因此,研制具有优异析氢催化性能且成本相对较低的析氢催化
剂,便成为现在及未来该技术发展的关键。
碳-金属硫化物异质结纳米材料因其优异的催化活性、导电性以及物理/化学稳定性
而在电催化析氢领域倍受关注。但由于碳纳米材料特殊的理化性质,导致很难直接在
其表面进行原位碳-金属硫化物异质结的构筑。基于此,本文设计了两步原位构建策略,
成功地将金属硫化物原位锚定在CNT上形成碳-金属硫化物异质结纳米材料。其中,理
化性质稳定的CNT纳米材料不仅充当载体增强催化剂的电子/质量运输能力,而且还通
过异质结界面的相互作用影响金属原子的电子分布,导致更多活性位点的产生,从而
有效地增强了电催化析氢(HER)的性能。基于以上,本硕士论文的主要内容如下:
(1)本章通过一种简单,直接的两步原位构建策略,成功地将非晶态RuSx原位锚
定在CNT上形成CNT-RuSx非晶异质结纳米材料。所得的CNT-RuSx非晶异质结
纳米催化剂具有丰富的C-S-Ru界面,且在碱性条件下(1MKOH)具有媲美Pt/C
的优异电催化析氢性能。本工作经过HER电化学测试发现,当电流密度达到10
mA/cm2时,仅需提供17mV的过电位,并且其具有较小的塔菲尔斜率为35mV/dec。
同时,CNT-RuSx非晶异质结纳米催化剂具有优异的电催化稳定性,在碱性条件下
2
过电位为200mV时,长达40h的电解后电流密度仍能保持在320mA/cm,性能
没有明显下降。进一步的理论计算表明,C-S-Ru界面的存在有利于水的解离,并
可以降低H的吸附自由能,从而显著提高电催化析氢性能。
(2)我们开发的两步原位构建策略具有一定的普遍适用性,使用相同的构建策略,
成功制备出CNT-MSx(M=Ce、Pd、La和Pt)异质结纳米催化剂。通过暗场像与
EDX元素分析发现,Ce/Pd/La/Pt和S均匀分布在CNT表面,形成类似于CNT-
I
RuSx的结构,从而有力地证明了原位构建策略对碳基负载型催化剂的制备具有普
遍的适用性。此外,这一简单的原位构建异质结催化剂的策略为合理设计和合成
活性高、稳定性好的非晶异质结电催化剂提供了技术支持。
(3)影响催化剂的性能因素通常为:催化剂的元素组成、微观形貌、尺寸与晶相等。
为了进一步探究晶相对HER性能的影响,我们通过两步原位构建策略成功地构建
了CNT-a-CoSx非晶异质结构催化剂和CNT-c-CoSx晶相异质结构催化剂。与晶态
CoSx和碳管形成的晶态CNT-c-CoSx异质结催化剂相比,非晶态CNT-a-CoSx具有
丰富的活性位点、优异的电子输运特性和较大的电化学活性面积等结构特性,因
此CNT-a-CoSx在0.5MHSO中表现出更优异的电催化析氢性能。即当CNT-a-
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CoSx达到10mA/cm的阴极电流密度时,所需的过电位仅为76mV。更值得注意
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的是,在10mA/cm的电流密度下进行60000
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