论文部分内容阅读
电解水制氢具有高效、清洁和无污染等独特优势,并且制备得到的氢气纯度高,无CO杂质毒化氢氧燃料电池的阳极催化剂,可以作为氢氧燃料电池的理想原料。而该技术最主要问题是电能消耗大,使得生产成本偏高。电解水反应过程中,主要能量损失来源于析氧和析氢过程的过电位,因此,制备合适的催化剂来降低这一转化过程中的能量损失具有重要意义。贵金属Pt、Ir和Ru等是高效的电解水催化剂,但是其极低的储量和高昂的价格制约其大规模商业化应用,所以开发价格低廉的非贵金属催化剂显得很有必要。非贵金属催化剂的研究主要集中在Ni、Co和Fe等过渡金属基的催化剂,而镍基催化剂由于镍具有类铂的电子结构受到了格外的关注。本论文基于镍基材料的优点,以提高材料的电催化性能为目的,通过调控组成和形貌设计制备了IrNi合金材料,Ni-B材料以及Ni@C材料,探讨了催化剂的结构与电化学性能之间的关系,为镍基析氢催化剂提供了不同的研究方向。本论文取得的主要成果如下:（1）采用简单的浸渍还原方法合成了Ir-Ni催化剂,并采用调控Ir-Ni的比例、合成温度来获得不同结构的镍基催化剂,探究合金化对析氢性能的影响。研究结果表明,不同的Ir-Ni比例可以得到不同晶型的催化剂:当Ni含量较低时,材料表现为Ir的晶型,此时Ni进入Ir的晶格,引起Ir晶格收缩;而当Ni含量较高时,材料为Ni的晶型,此时Ir进入Ni的晶格,引起Ni晶格膨胀。晶格的膨胀与收缩调节了Ir、Ni的电子结构,从而使得材料的电催化活性得以调控。电催化析氢测试结果表明,以Ir进入Ni的晶格,使Ni的晶格发生一定程度膨胀的样品（Ir:Ni原子比为1:5,400oC后处理,标记为IrNi5-400）具有最佳的HER活性。（2）以此为依据,我们通过化学还原以及高温处理将元素B引入Ni的晶格,使其形成间隙化合物,从而引起Ni的晶格膨胀,获得远优于单质Ni的析氢催化活性。B元素的引入使得材料表面有B2O3氧化层的生成,形成Ni金属单质和氧化物的异质结结构,有效的提升了析氢催化活性。（3）通过调控Ni的晶型与电子结构可以提高催化剂的活性,但是催化剂的稳定性仍有待提高。通过在合成过程中引入双氰胺和柠檬酸配体,得到金属络合物前驱体。经过高温热处理后,这些配体发生碳化并包覆在Ni基金属颗粒的表面形成碳包覆层,降低催化剂在催化过程中的溶解损失,从而提高材料的催化稳定性。另一方面,碳层的存在不仅抑制金属颗粒的聚集长大,而且在高温热处理过程中会以金属Ni为起点长出CNT,提高催化剂的导电性,且增大了催化剂的比表面积,有利于催化剂与电解液充分接触,促进传质过程,提高催化活性。