摘要：氢能作为一种非常有前景的新型清洁能源,具有极高的能量密度,并且兼具可循环性和无污染性,使得它有望在未来...氢能作为一种非常有前景的新型清洁能源,具有极高的能量密度,并且兼具可循环性和无污染性,使得它有望在未来能够替代传统的化石燃料,构建新一代的可循环能源体系。电解水技术作为一种能够高效生产高纯度氢气的方法,具有相当大的应用前景。但是在反应过程中所需要用到的催化剂限制了电解水技术的进一步应用。贵金属基催化剂虽然能够有较好的催化活性,但是其价格十分昂贵,稳定性无法实现长时间、大电流的生产。因此研究廉价、高活性、高稳定性的电解水催化剂势在必行。因此,本论文拟以碳纳米管为载体,使用简单、可控的液相化学方法以及气相磷化法在碳纳米管表面制备具有纳米结构的过渡金属磷化物。电化学测试证明了这些过渡金属磷化物材料具有高催化活性和高稳定性以及多功能性等优点。将双功能材料分别作为阴阳极直接构建两电极体系的电解池,可以有效降低电解水反应的整体过电位。具体研究内容如下:（1）通过简单的共沉积法和低温磷化法在经过官能团化的碳纳米管上合成了花束状的NiCo2Px纳米片（NiCo2Px/CNTs）。同时存在的微孔、介孔、大孔三级孔道结构提高了对电催化活性位的暴露、加速了传质和气体扩散,从而使材料的整体催化性能得到大幅提高。使用NiCo2Px/CNTs同时作为阴极和阳极,仅需1.61V的电压就可以达到10 mA cm-2的电流密度。通过一维的碳纳米管与二维的NiCo2Px纳米片自组装形成的三维结构赋予了材料在纳米尺度上优异的机械强度,提升了材料的催化稳定性。在1.61 V的电压下经过48 h连续电解后仍可保持94.3%的电流密度。进一步研究分析了NiCo2Px/CNTs的活性位点归属,对其高活性来源做出了合理的解释。（2）使用液相沉积和气相磷化法在官能团化的碳纳米管表面均匀生长了尺径约10 nm的Ni-Fe磷化物/偏磷酸物纳米颗粒(Ni1–x-Fex/P-PO3@CNTs)。通过Fe原子对Ni2P中Ni原子的逐步替换后,发现随着Fe逐渐成为主体元素后,化合物的晶相会逐渐转变为Fe（PO3）2相。以此构建模型探究铁对镍基磷化物OER催化活性的调控,并研究其在OER过程中发生的原位转换。通过一系列的电化学方法如循环伏安法、计时电位法等测试结合XPS谱学表征,归纳并总结出镍铁基磷化物/偏磷酸物在OER过程中受掺杂Fe元素量的影响,使得其最后得到不同晶型的氢氧化物或羟基氧化物,最高活性的催化物种可能是原位生成的Fe掺杂γ-NiOOH。通过对机理的研究后,制得最优比例的Ni0.75-Fe0.25/P-PO3@CNTs材料在1 M KOH下只需239 mV过电位就可以达到10 mA cm-2的OER电流密度。在该电流密度下经过200 h的稳定性测试后,过电位仅上升了15 mV。更多还原显示全部
