二硫化钼复合材料的制备及电催化析氢性能研究

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化石燃料的有限储量及其燃烧引发的环境污染问题日趋严峻,促进了对可再生清洁能源的需求和发展。氢作为一种理想的清洁能源引起对高效、环保、廉价制氢技术的需求,其中电解水制氢因不会产生CO2等有害气体而成为工业绿色制氢的首项选择,但Pt作为性能最佳的阴极催化剂由于价格昂贵且储量较少而限制了工业制氢的大规模应用。因此,开发性能良好、储量丰富的非贵金属催化剂迫在眉睫。MoS2表现出优异的电化学析氢性能,但与Pt相比仍有待提高。本文通过制备适宜形貌的MoS2并将其与不同的金属氧化物进行复合来进一步提高材料在酸性介质中的电化学产氢性能。具体研究内容如下:(1)利用溶剂热法确定制备MoS2纳米管的适宜反应条件为200°C下反应24 h。对MoS2纳米管催化剂在酸性介质中的电化学析氢性能进行考察发现,MoS2纳米管催化剂的塔菲尔斜率为69 mV/dec,在过电位为0.32 V时便可产生-10mA/cm2的电流密度,且表现出良好的电化学稳定性。与MoS2花球相比,MoS2纳米管因有更小的电荷转移阻抗和曝露更多的活性位点而表现出更高的电催化析氢性能。(2)采用低温还原方法制备的TiO2/MoS2复合材料在酸性介质中表现出更好的电化学析氢活性和稳定性:当TiO2与MoS2的质量百分比10%时,TiO2/MoS2复合材料具有最好的电催化析氢性能,其塔菲尔斜率仅为42 mV/dec,且当电催化析氢的电流密度为-10 mA/cm2时,TiO2/MoS2复合材料催化剂仅需要0.21 V的过电位。TiO2/MoS2复合材料具有较高的电催化析氢性能不仅是由MoS2纳米管的形貌引起的,还在于复合后产生的双电层效应和降低的电子转移内阻。(3)利用水热法制备CeO2/MoS2复合材料并考察该催化剂的电化学析氢性能,同时探讨了CeO2促进MoS2催化剂电化学析氢性能的原理。研究发现,CeO2/MoS2复合材料在酸性介质中表现出更好的电化学析氢活性和稳定性,塔菲尔斜率仅为40 mV/dec,且当电催化析氢的电流密度为-10 mA/cm2时,CeO2/MoS2复合材料催化剂仅需要0.20 V的过电位。CeO2提高MoS2纳米管的电催化析氢活性和稳定性的原因主要是加快氢析出反应中间产物的脱附及降低了复合材料的电子转移内阻。
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