泡沫镍负载过渡金属硫化物的备及其电催化水分解性能研究.pdfVIP

泡沫镍负载过渡金属硫化物的制备及其电催化水分解性能研究

摘要

氢能因其清洁、可再生的优点被认为是一种理想的传统能源替代品。电化学水分解

作为一种环保的制氢方法，阳极析氧（OER）和阴极析氢（HER）半反应中缓慢的动力

学限制了该项技术的大规模应用。因此，研究开发高效且成本低廉的析氧和析氢电催化

剂对电解水制氢技术的实际应用具有重要意义。将催化剂通过高分子粘结剂与集流体结

合会出现负载量低、活性位点覆盖以及界面电阻大等问题，且在大电流密度下工作时气

体产物的冲刷会使活性物质脱落并失活。本文以三维多孔的泡沫镍作为导电载体，对过

渡金属硫化物的形貌结构和杂化组分进行合理的调控和优化，通过简便的水热法原位制

备了稳定性高本征活性优异的电极材料，将其用于催化OER及HER反应，并构建了全

水分解体系，探究其在碱性介质中的水分解能力。主要研究内容和结果如下：

以负载微米级粗糙镍膜的泡沫镍作为导电载体，水热法原位生长纳米花状镍铁水滑

石，随后水热硫化得到镍铁硫化物电极（FeNiS/NF）。纳米花间微米级的传质通道有利

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于反应过程中O2和H2的快速释放，避免存留的气泡阻碍催化剂与电解液接触。泡沫镍

基底发生了一定程度的硫化，提高了FeNiS/NF在OER和HER过程的反应动力学。

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对于OER反应，FeNiS/NF驱动100mA·cm-2的电流密度所需的过电位为258mV，

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Tafel斜率为49.13mV·dec-1。对于HER反应，该电极仅需94mV以驱动10mA·cm-2的

电流密度，Tafel斜率为66.05mV·dec-1。对于FeNiS/NF||FeNiS/NF对称全解水体系，

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仅需要1.56V电解池电压即可产生10mA·cm-2的电流密度，优于商用RuO||Pt/C体

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系。该体系在10mA·cm-2电流密度下可以稳定工作20h。

采用简便的两步水热法制备了泡沫镍负载的硫化铜复合镍铁硫化物（CuFeNiS）电

极材料。通过水热反应中Cu原料添加量调控电极的形貌，使CuFeNiS具有二维叶片与

三维牡丹花状结构，较大的电化学活性面积使材料暴露出更多的OER催化活性位点。

铜硫化物和镍铁硫化物间丰富的异质界面增强了电子传输能力，使得CuFeNiS催化剂在

碱性介质中表现出优异的催化活性。CuFeNiS需要308和354mV的过电位驱动100和

500mA·cm-2的析氧电流密度，Tafel斜率为72.94mV·dec-1。在100mA·cm-2电流密度下

进行的20h稳定性测试中过电位没有明显的增加，形貌结构保持良好。对于HER过程，

CuFeNiS需要178和349mV的过电位以达到-10和-100mA·cm-2的析氢电流密度，Tafel

斜率为154.2mV·dec-1。将其作为双功能催化剂组成的CuFeNiS||CuFeNiS全解水体系

需要1.65V电解池电压以产生10mA·cm2的电流密度，与商用RuO||Pt/C体系（1.63

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哈尔滨工程大学博士学位论文

V）相近。

通过调节水热反应的时间和温度获得了具有不同形貌结构的泡沫镍负载锰氧化物

复合镍铁硫化物MnO@(Fe,Ni)S和MnO@(Fe,Ni)S分别作为析氧和析氢催化剂。

234xy34

MnO@(Fe,Ni)S催化剂具有薄层