含镍异质结构催化剂的合成及其电催化析氢研究.pdf

摘要

由于工业的快速扩张以及人口的急速增长，全球能源危机日渐凸显。化石燃

料作为全球使用率最高的燃料不仅存在环境污染问题，还在日益减少，因此我们

亟需开发更加清洁的可持续发展的新能源来替代当前的化石能源。氢能是公认的

清洁能源，被视为化石燃料的可行替代品，正受到广泛关注。目前电解水制氢气

是生产高纯度氢的一种有效和可持续的方法，而关键是设计合成出高效、稳定的

阴极析氢反应（HER）电催化剂。贵金属Pt基催化剂是当前最先进的HER电催

化剂，但因其稀缺性和价格高昂等原因无法得到广泛商业应用。因此，迫切需要

开发具有高活性和耐久性的新型非贵金属催化剂，以取代目前的贵金属基催化剂，

从而实现大规模应用。

基于此，本论文的工作主要包括：

（1）通过选择不同镍盐原料、以聚苯乙烯泡沫为基底制备了三种镍掺杂碳

基复合催化剂(Ni(dmgH)-Cl-foam-NC、Ni(dmgH)-CO-foam-NC和Ni(dmgH)-

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NO-foam-NC），用于电解水析氢反应（HER）。通过XRD、BET、SEM对复合

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催化剂的晶体结构、比表面积、形貌和化学成分进行了表征。通过电化学工作站

在1MKOH溶液中测定了三种催化剂对HER的电催化活性，发现最佳活性的

-

镍基碳催化剂Ni(dmgH)-NO-foam-NC，仅需161mV的过电位可驱动10mAcm

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2的催化电流密度。这项工作突显了在前驱体制备阶段选择合适金属盐的重要性。

（2）通过对含镍的有机配合物前驱体进行碳化和磷化反应制备了一种由

NiP-NiP-NiP和N掺杂碳纳米管/碳微粒组成的异质结构催化剂（NiP-NiP-

5422542

NiP/NC）。得益于三种磷化镍的协同效应和多孔碳网络的支撑作用，NiP-NiP-

2542

NiP复合N掺杂碳催化剂在酸性和碱性溶液中具有良好的电催化性能，在电流

2

-2

密度为10mAcm时，过电位分别为168和202mV，Tafel斜率分别为69和74

mVdec-1，均超过了本工作中对应的单组分磷化镍复合N掺杂碳材料。这项工作

为制备和开发在酸性和碱性介质中均具有高效催化活性HER非贵金属电催化剂

提供了有效策略。

（3）金属碳化物作为HER催化剂的研究日益受到重视，但单金属碳化物材

料用于HER的性能并不显著。合成了碳材料支撑三金属碳化物(Ni,Co)ZnC和

30.7

NiCo合金颗粒复合结构Co,Ni,Zn-NC-900。得益于三金属碳化物(Ni,Co)ZnC和

30.7

NiCo合金颗粒在碳纳米颗粒中的均匀分布，形成协同催化效应，Co,Ni,Zn-NC-

900催化析氢性能较好。在碱性条件下，Co,Ni,Zn-NC-900催化剂呈现出较好的

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HER性能，电流密度为10mAcm时过电位为304mV