氢气是一种清洁、无污染的能源物质,具有广阔的发展前景。电化学催化水分解是制备高纯氢气的理想的途径之一,水分解反应包括阴极的析氢反应和阳极的析氧反应,而水分解的整体效率取决于电极反应所使用的催化剂。目前,铂(Pt)基催化剂表现出最高的析氢反应催化活性,但Pt金属的储量稀少、价格昂贵,其产业化应用极为不现实。同时,析氧反应是四电子转移过程,反应能垒高,反应动力学缓慢,严重阻碍了水分解反应的速率。Ir/Ru基氧化物对析氧反应具有较高的催化活性,但这催化剂在电化学过程中易被腐蚀的问题限制了其广泛应用。因此,开发价格低廉、性能优异的电催化剂是氢能源生产领域当前的研究热点。钼基化合物储量丰富、价格低廉,在电解水反应中表现出了优异的催化性能,越来越受到研究者的关注。其中,二氧化钼(Mo02)作为一种宽禁带半导体氧化物,具有电阻率低、pH适用范围宽等特点,是一种性能优异的电化学反应催化剂材料。另外,双金属氧化物对氧中间体具有适宜的吉布斯吸附自由能,其析氧反应催化性能往往优于单金属化合物。根据上述研究背景,本论文通过微观结构设计和组分调控,制备了聚吡咯包覆一维氮掺杂二氧化钼(PPy@N-MoO2)纳米棒和钴钼双金属氧化物(Co@Co2Mo308@CoMo04)纳米片,并分别探究了它们对析氢反应和水分解反应的电化学催化性能。具体研究内容如下:(1)利用三氧化钼与次黄嘌呤,通过水热反应首先制备了纳米棒结构前驱体,然后在惰性气氛下热处理该前驱体得到氮掺杂二氧化钼(N-Mo02)纳米棒。最后在N-Mo02表面修饰了聚吡咯大分子,得到聚吡咯(PPy)均匀包覆的氮掺杂二氧化钼(PPy@N-Mo02)纳米棒。作为电催化析氢反应的催化剂,PPy@N-Mo02具有以下优点:N掺杂调节了 Mo02的电子结构,实现了对氢的吸脱附的优化;一维纳米棒状结构,有利于质子扩散和电子传输;共轭结构的PPy提高了催化剂的导电性,使得电解质与催化剂界面处电子转移速率提高,加快了催化反应动力学;此外,PPy包覆起到保护MO02不被电解质腐蚀的作用,提高了长时间催化稳定性。综上所述,通过结构与组分的调控,使得PPy@N-Mo02在碱性、酸性介质中均表现出优异的电催化析氢反应性能,当电流密度达到10mAcm-2时,过电位分别为146 mV和188 mV,相应的Tafel斜率分别为71 mV dec-1和75 mV dec-1。(2)通过磷钼酸水合物与醋酸钴水热反应以及惰性气氛下高温煅烧得到钴钼双金属氧化物(Co@CO2MO3O8@COMOO4)纳米片。纳米片中Co、Co2Mo3O8和CoMoO4三者构成协同催化活性位点;高价态Mo(VI)和低价态Mo(IV)优化界面处电荷分布。电催化水分解反应测试显示Co@Co2Mo3O8@CoMoO4具有优良的催化活性,当电流密度达到10 mA cm-2时,析氧反应过电位为270 mV,析氢反应过电位为242 mV。