基于MOF的钴基磷化物/硫化物催化剂的制备及其电化学性能研究

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过渡金属化合物具有优异的催化和电化学性能,在催化及能量存储与转换等领域将有广泛的应用前景。本论文基于MOF合成了磷化钴以及钴钼硫化物,研究了不同反应条件对催化剂性能的影响,得到了具备优异电化学性能的电化学催化剂。采用低温磷化的方法,以MOF为前驱体,次磷酸钠为磷源,通过改变原料ZIF-67与次磷酸钠的比例,制备了一系列CoP纳米材料,并研究了它们作为电解水析氢催化剂旳催化性能。作为电化学析氢催化剂,CoP纳米材料的活性随次磷酸钠的增加先升高后下降。当原料中Co与P的比例为1:15时,得到了活性最好的CoP材料。此时的复合材料是磷化钴镶嵌在磷氮共掺杂的碳上的结构。作为电解水催化剂,该材料不仅在碱性环境中表现出了良好的析氢与析氧活性及稳定性,在酸性环境中有也出色的析氢性能。DFT计算及电导率测试表明,该材料具有非常好的导电性,有利于电子的传递,因而促进了活性的提高。以泡沫镍为催化剂的基底,CoP@PNC材料同时作为阴极和阳极,实现了水的全解,电流密度为10mA/cm2时所需的电压为1.52V,活性超过了贵金属(Pt/C//IrO2)催化剂,并且有非常好的稳定性。采用溶剂热法,以ZIF-67为前驱体,硫代乙酰胺为硫源,可以合成CoS十二面体材料。而为了提高硫化物的活性,在制备MOF时掺杂进入钼元素,最终硫化形成了钴钼硫化物。通过调整原料中Co和Mo的比例,硫化温度以及硫化时间,我们探究了各因素对催化剂活性产生的影响,最终得到了制备活性最好的钴钼硫化物的反应条件。作为电化学催化剂,该材料在酸性环境中有出色的析氢活性和稳定性,电流密度为10mA/cm2时所需的电压为-158mV。
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