二维过渡金属硒化物的结构调控与电化学性能研究

来源 :中国石油大学(华东) | 被引量 : 0次 | 上传用户:jinhait2009
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化石燃料的枯竭及生态环境的恶化已成为21世纪人类面临的严峻挑战,新能源技术的开发与应用成为了解决此类问题的有效途径。其中,电催化作为新能源技术开发的重要发展方向,受到当代科研工作者们的广泛关注。近些年来,石墨烯由于其独特的层状结构和优良的电化学性能成为国内外研究的热点,随着石墨烯研究的快速发展及材料制备技术的不断革新,其它具有二维层状结构的材料,如过渡金属硒化合物,因其具有优异的催化活性,低廉的价格和丰富的矿藏,被看作是极有希望替代贵金属催化剂的新型电化学催化材料。相较于传统的二元过渡金属硒化物材料,三元过渡金属硒化物因其具有更广泛的性质调节空间,也逐渐成为新的研究热点。前期研究表明,对过渡金属硒化物的结构、形貌、尺寸以及生长取向进行精确的调控有助于提高其电催化性能。本论文中,我们制备了二元过渡金属硒化物1T@2H-MoSe2/Ti两相复合材料,Mo掺CoSe二维三元复合材料,通过优化制备条件,获得了结构稳定、性能良好的新型催化材料,并进一步研究了金属阳离子掺杂对材料物相和电子结构的影响,揭示了结构与电催化之间的关系。对于二元过渡金属硒化物可采用晶相调控及与导电性良好的材料复合等结构调控方法来提升催化剂电催化性能。通过一步水热法成功合成1T@2H-MoSe2,并与导电性良好的Ti片基底复合,制备出电催化性能优异的1T@2H-MoSe2/Ti自支撑电极。随后,将两相材料通过退火处理,成功得到半导体相2H-MoSe2/Ti,并通过析氢性能的对比,证明了含有金属相(1T)材料在电催化性能方面优于半导体相(2H)材料。当应用于电催化制氢时,1T@2H-MoSe2/Ti展现了比2H-MoSe2/Ti更优异的析氢性能,具有最低的起始电位(-120 mV vs.RHE)和最高的电流密度(在-133 mV vs.RHE时电流密度为20 mA cm-2)。1T@2H-MoSe2/Ti之所以表现出更高的电催化制氢性能,是因为1T相的存在使催化剂表现出金属特性,其次基底Ti片的引入也改善了电子传输效率,使催化剂拥有更小的电阻及更优异的析氢性能。相较于传统的二元过渡金属硒化物,三元过渡金属硒化物有着更加丰富的电子结构,可被广泛应用于高效储能,电催化制氢等方面,通过掺杂手段可优化局部电子结构,可极大提升电催化性能。用一步溶剂热法制备了 Mo掺CoSe二维三元过渡金属硒化物CoxMo1-xSe,通过改变Mo与Co的原子比例,实现了催化剂物相与电子结构的精确调控,进一步研究了原子比例与电催化活性之间的关系。当应用于电催化制氢时,Co0.8Mo0.2Se在过电位为-86.7 mV即可达到10mA cm-2的电流密度,同时具有最小的塔菲尔斜率(58.7 mV dec-1)。此外,该催化剂相比于其它比例的催化剂也显示出极强的稳定性,经过10 h电催化产氢稳定性测试后,阴极电流几乎没有损失。
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