钴基化合物的制备及其电解水催化性能的研究

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目前,寻找和开发高效、廉价的过渡金属化合物来代替贵族金属作为电催化材料应用于电解水制氢技术中仍面临着挑战。其中钴基磷化物和氧化物由于地球储量大,化学性质稳定,氢/氧吸附吉布斯自由能较接近于0等特点而在催化析氢反应(HER)和析氧反应(OER)方面得到了大量报道。增加活性位点数和提高导电性已成为目前进一步提高材料的催化性能的最有效途径。其中一维材料由于具有大的比表面积和高的导电性深受研究人员们的青睐。因此,合成高效稳定的一维钴基磷化物和氧化物有望成为高性能的电催化剂应用于电解水装置中。为此,我们分别作了两个部分的工作:(1)利用固相法对四氧化三钴(Co3O4)纳米颗粒和次亚磷酸钠(NaH2PO2)的机械混合物进行磷化处理。通过改变反应参数,我们实现了对Co2P纳米棒的可控合成,并发现反应温度在其生长过程中起到了至关重要的作用。电化学测试证明了Co2P纳米棒是一种出色双功能电催化材料应用于析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。为了获得10 mA cm-2的电流密度,其HER过电位为87 mV,OER过电位为310 mV。同时,应用在全解水装置时,在1.65 V的电位下达到了10 mA cm-2的电流密度,且在24 h的持续电解后依然保持了稳定的电压。通过对Co2P纳米棒的形貌和物相分析后,发现其出色表现主要源自棒状的纳米结构而非物相组成,可以暴露出更多的活性位点、增大了电解质与催化剂接触界面,以及加速了电荷的转移。更值得注意的是,利用此方法获得Co2P纳米棒的产量与其他的文献对比具有一定的优势,利用商业Co3O4也可以获得类似的效果,表明了该方法具有工业应用需要的宽松生产条件。(2)以硫磺粉分别作为硫源,采用简单的硫掺杂策略合成了具有可调氧空位(Ov)的Sx-CoO微米棒。研究发现,Ov与导电性和活性位点的权衡对提高OER电催化活性有重要作用。随着S掺入量的增大,Sx-CoO的OER催化性能呈现出了逐渐上升的趋势,且全部优于纯净的CoO相。掺入量最多的S6.64-CoO,其10 mA cm-2的过电位为290 mV,比CoO的约小了120 mV。其优异的OER催化活性主要归因于Ov可增加材料的电化学活性位点和提高其导电性。这为提高钴基氧化物电催化OER性能提供一种简单有效的策略来控制Ov的浓度。
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