【摘 要】
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电解水制氢过高的成本严重制约着氢能的发展,电解水过程中约80%的成本来源于电费,因此降低电解水制氢成本的关键在于降低能耗,而开发高性能的催化剂材料是降低过电位进而降低能耗的重要途经。CoP因为价格低廉、导电性良好和高析氢活性引起了广泛关注,虽然目前已制备出了一系列CoP基电催化剂材料,但其析氢性能仍然与实际生产需求相差甚远,还有很大的提升空间。本文基于杂原子掺杂和异质结构建策略,成功设计并制备了高
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电解水制氢过高的成本严重制约着氢能的发展,电解水过程中约80%的成本来源于电费,因此降低电解水制氢成本的关键在于降低能耗,而开发高性能的催化剂材料是降低过电位进而降低能耗的重要途经。CoP因为价格低廉、导电性良好和高析氢活性引起了广泛关注,虽然目前已制备出了一系列CoP基电催化剂材料,但其析氢性能仍然与实际生产需求相差甚远,还有很大的提升空间。本文基于杂原子掺杂和异质结构建策略,成功设计并制备了高性能CoP基电解水析氢催化剂,并通过XRD、XPS、TEM、电化学测试等表征手段与DFT计算,查明了其催化机理,获得了催化剂的电子结构、微观形貌以及合成工艺参数对催化剂析氢活性的影响规律,以期为高性能非贵金属基电解水制氢催化剂的设计提供指导。本论文主要的研究内容和结论如下:（1）基于杂原子掺杂的CoP基电催化剂合成:首先通过溶剂热法及气固反应法在泡沫镍上合成了CoP（CoP@NF）,然后基于掺杂策略,获得了V与N掺杂的V-CoP@NF与N-CoP@NF。电化学测试表明相比CoP@NF,V-CoP@NF与N-CoP@NF的析氢催化活性在掺杂杂原子后都有了大幅提高。其中V-CoP@NF在10 m A·cm-2电流密度时的过电位为65 m V,N-CoP@NF在10 m A·cm-2电流密度时的过电位为64 m V。（2）基于异质结的CoP基电催化剂合成:使用两步溶剂热法以及气固反应法在泡沫镍上同时合成了CoP与Ni2P（CoP/Ni2P@NF）,合成的催化剂表面拥有纳米线状的微观结构,为析氢反应提供了大量的催化活性位点。结果表明,CoP/Ni2P@NF仅需56 m V的过电位便能到达10 m A·cm-2的电流密度,且其Tafel斜率也比CoP@NF低,为85.4 m V·dec-1。DFT计算与电化学结果均证实了异质结构能提高CoP基催化剂表面的催化活性与电子传输效率。（3）基于杂原子掺杂与异质结协同的CoP基电催化剂合成:同时使用了掺杂与异质结策略,通过两步溶剂热法以及气固反应法合成了N掺杂的CoP与Ni2P（N-CoP/Ni2P@NF）,并研究了退火温度、氮化时间以及前驱体的合成顺序对于析氢催化活性的影响。电化学分析结果表明,N-CoP/Ni2P@NF仅需46 m V的过电位便能实现10 m A·cm-2的电流密度,且其Tafel斜率进一步降低(66.4 m V·dec-1),而且N-CoP/Ni2P@NF在72小时的析氢反应中也能一直保持优异的析氢催化活性。机理研究表明,得益于异质结界面的强相互作用以及N掺杂对电子结构的优化,N-CoP/Ni2P@NF表面的析氢活性、导电性以及电催化活性位点的数量都得到了提高。
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