论文部分内容阅读
氢能是一种理想的洁净能源。采用可再生能源制备氢气是人们利用氢能的有效途径,而电解水制氢作为可再生能源转换的主要方法也是人们高度关注的课题。电解水的实际工作电压远远高于理论电解电压,能量损耗大。电极材料是电解水的关键部件,它对电极反应机理、反应速率以及电解槽的制作、维护成本等有着重要的影响,特别是对于提高能量转换的效率,降低能耗起着至关重要的作用。我们跟踪了析氢电极催化剂在电解水方面的研究进展和成果,熟悉了这方面的基础知识、挑战和目前在这个领域的机会。在酸性介质（如:质子交换膜电解槽）,电解水对催化剂本身的活性和长期运行的稳定性有很高的要求,长期依赖贵金属材料也制约了其大规模的生产。近十多年来,学者们对过渡金属的复合催化剂进行了大量的研究。对于酸性介质,电解水活性析氢催化剂的构建:首先是选择具有潜在析氢活性的材料,确认材料固有的析氢活性位点;接着优化材料组分比例,构建充分发挥其活性的稳定结构,并最大限度地暴露其活性位点;最后,通过微观形貌的调控,改进催化剂体系的导电性和气体扩散的通道,电子的有效传输和气体的畅通扩散对于析氢活性提高也很重要。然而,在碱性介质中,水电解析氢反应（HER）的效率比酸性介质低得多。主要原因是电荷诱导转移的是水分子而不是水合氢离子,所以,碱性介质中提高析氢反应（HER）效率的关键是要改善水分子的离解,加速形成氢中间体。此外。在碱性介质中,电极催化剂的表面形貌和界面结构对析氢活性的影响更加敏感。基于上述问题,本论文针对不同介质溶液,以节能降耗为出发点,对电解水活性电极催化材料的构建和析氢性能方面进行了系统的研究,主要内容如下:1)在酸性介质中,大量的证据证实Mo S2是替代铂族贵金属最合适的析氢催化剂。Mo S2作为一个有效的析氢催化剂,需要面对两个主要的挑战:剥离堆砌的层状Mo S2,以便增加活性位密度;改善活性位点的电子传输能力。理论计算和实验研究已经揭示Mo S2的析氢活性位在Mo S2片层的边缘,而且超薄的MoS2纳米片已经被用作增加Mo S2的催化活性边缘位,但是超薄的Mo S2纳米片是热力学不稳定的,很容易卷曲成无机富勒烯的结构。另外,Mo S2催化剂的低的导电性限制了催化剂的电子传输能力,而纳米结构的2H-Mo S2边缘已经观察到具有更好的导电性,电子可以沿着2H-Mo S2边缘从基体传输到活性位。这些研究表明了Mo S2纳米片垂直生长在导电基体表面将是一种构建活性析氢催化剂的有效方案。本论文中,我们通过水热合成的方法构建了一个活性析氢催化剂（Mo S2⊥rGO）,超薄的Mo S2纳米片垂直生长在还原石墨烯上。我们已经验证高氧化程度的石墨烯对Mo S2纳米片垂直生长在石墨烯表面起着重要的促进作用。物理表征结果显示超薄的Mo S2纳米片均匀的、垂直的生长在石墨烯表面,碳-硫键的形成是这种特殊形貌形成的根本原因。电化学测试表明,在酸性介质中,催化剂Mo S2纳米片垂直生长在石墨烯表面这种特殊形貌结构（Mo S2⊥r GO）,展示出优良的导电性,高密度的活性位点,从而促进了催化剂的析氢活性增强和稳定性增加。2)在碱性介质中,电解水是工业化制氢最常用的方法。然而,在碱性溶液中,析氢反应（HER）的效率比在酸性溶液中低得多。而且催化剂的表面形貌和界面结构对其析氢效率的影响更灵敏。因此,在碱性溶液中,调控催化剂的形貌和界面结构对改善水的离解速率以及加速氢中间体（Hads）的吸附,从而有效降低析氢反应（HER）过电位,是增强析氢效率的一种有效手段。铂族贵金属是活性最好的析氢催化剂,迄今还不能完全被其他材料取代,但是,它们通常对离解水分子中HO-H键的能力很弱。相反,过渡金属氢氧化物/氧化物能够有效的离解水分子,然而其对吸附Hads生成到氢气分子H2没有作用。在所有过渡金属氢氧化物/氧化物中,氢氧化镍/氧化镍已经被证明是最有效的离解水分子物质。通常氢氧化镍/氧化镍的导电性不好,而石墨烯具有较大的比表面积和高效的导电性而受到广泛的关注。因此,理想的析氢催化剂将是整合各组分的催化优势,构建一个多功能体系,发挥其协同效应。同时,催化剂的协同效应受组分、形貌和异质界面性质的直接影响。为了充分地整合各组分的优势和减轻单个组分的不足,不同组分的界面可能会产生不同于单个组分的界面电子分布状态。因此,界面结构对催化剂的设计、合成和优化具有重要的作用。本论文中,我们采用水热合成方法制备了活性析氢催化剂Ni@Ni（OH）2/Pd/rGO,微量钯（Pd）诱导的部分还原的β-氢氧化镍（β-Ni（OH）2）铆定在还原氧化石墨烯（rGO）上。通过调节Ni（OH）2-Pd-r GO界面结构,催化剂表现出良好的分散性,暴露出更多的活性位点,有效的电荷传输路径和优良的导电性,增强了析氢催化性能。密度泛函理论（DFT）计算表明界面原子之间强的相互作用,导致生成了稳定的Ni@Ni（OH）2/Pd/rGO形貌,并且促进了催化剂界面原子电荷的重新分配。这种界面结构有利于催化剂协同效应的发挥。在碱性介质中,Ni@Ni（OH）2/Pd/r GO催化剂表现出优良的析氢催化活性和稳定性。