【摘要】：氫氣(H_2)因清潔、高能以及可再生等優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是代替化石燃料的理想選擇。相較于傳統(tǒng)工業(yè)制氫方法,電解水制氫技術(shù)則更為直接、高效,且無(wú)溫室氣體或有毒副產(chǎn)物釋放。由于極化現(xiàn)象的存在,水分解反應(yīng)實(shí)際電位會(huì)遠(yuǎn)高于其理論電位,導(dǎo)致能耗增加,效率降低。對(duì)于陰極析氫反應(yīng)(Hydrogen evolution reaction,HER)而言,20%Pt/C是目前降低其過(guò)電位最為有效的商用電催化劑,但價(jià)格高昂、資源稀少以及長(zhǎng)效性較差等缺點(diǎn)限制了其規(guī)�；瘧�(yīng)用。而過(guò)渡金屬磷化物資源豐富,導(dǎo)電性好,展現(xiàn)了廣闊的HER應(yīng)用前景,是貴金屬基材料的潛在替代者。因此,本文以結(jié)構(gòu)規(guī)整的過(guò)渡金屬磷化物碳復(fù)合析氫電催化劑為對(duì)象,研究制備的可控性與普適性,主要內(nèi)容如下:(1)以NaCl作為硬模板,通過(guò)靜電作用-自組裝過(guò)程以及熱解磷化工藝制備了三維氮摻雜碳網(wǎng)絡(luò)負(fù)載MoP納米晶復(fù)合型催化劑(MoP/NC)。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化了催化劑的結(jié)構(gòu)組成與性能,并對(duì)MoP/NC的構(gòu)效關(guān)系以及性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了合理解釋。最優(yōu)的MoP/NC復(fù)合材料在酸性條件下獲得10 mA cm~(-2)的響應(yīng)電流密度僅需130 mV的過(guò)電位,在此過(guò)電位下持續(xù)工作20 h后仍具有88%的電流密度保持率,展現(xiàn)了其優(yōu)良的HER活性與穩(wěn)定性。此外,通過(guò)類(lèi)似方法得到了氮摻雜碳網(wǎng)絡(luò)負(fù)載WP納米晶的三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)(WP/NC)。不僅展現(xiàn)了該模板合成法的合理性與普適性,還為三維碳復(fù)合磷化物納米材料的設(shè)計(jì)構(gòu)筑提供了理論依據(jù)。(2)采用一種自下而上的檸檬酸-尿素溶膠凝膠法,制備了氮摻雜碳納米片負(fù)載FeP納米晶復(fù)合材料(FeP/NCNSs)。深入分析其形成過(guò)程,通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)獲得最佳的復(fù)合型催化劑并對(duì)其結(jié)構(gòu)性能相關(guān)性進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。當(dāng)電流密度為10 mA cm~(-2)時(shí),FeP/NCNSs在酸性、堿性以及中性三種環(huán)境下的過(guò)電位分別為114、205以及409mV,展現(xiàn)了復(fù)合體催化劑在廣泛pH范圍內(nèi)的優(yōu)良活性。另外,實(shí)現(xiàn)了對(duì)氮摻雜碳納米片負(fù)載Ni_2P納米晶復(fù)合材料(Ni_2P/NCNSs)的制備,展現(xiàn)了該合成方法的普適性,為其他二維碳復(fù)合金屬磷化物催化劑的設(shè)計(jì)構(gòu)筑起到了拓展作用。(3)對(duì)常規(guī)鈷基金屬有機(jī)框架材料引入橋接配體進(jìn)行改性,采用原位熱解磷化工藝得到特殊的低維束狀氮摻雜碳納米線限域的CoP納米晶復(fù)合材料(CoP/NCNWs)并提出了一種優(yōu)化熱解的策略。系統(tǒng)研究材料各組分對(duì)其微納結(jié)構(gòu)與電催化性能的影響,合理解釋了最優(yōu)復(fù)合催化劑的結(jié)構(gòu)/性能優(yōu)勢(shì)。CoP/NCNWs在強(qiáng)酸與強(qiáng)堿條件下分別僅需95與154 mV的較低過(guò)電位便可驅(qū)動(dòng)10 mA cm~(-2)的響應(yīng)面電流密度并能穩(wěn)定工作20 h,展現(xiàn)了極端pH環(huán)境中優(yōu)良的電化學(xué)性能。另外,在堿性環(huán)境中,CoP/NCNWs也具有良好的析氧性能(10 mA cm~(-2)下過(guò)電位為306 mV),展現(xiàn)了其可觀的析氫析氧雙功能特性。
【圖文】：

我國(guó)已經(jīng)成為了世界最大的能源消耗國(guó)與 CO2排放國(guó)，2017 年 CO2總排放量高達(dá) 92.326 億噸[2]。圖1-1 顯示，，全球燃料發(fā)電份額中煤炭所占比重最大，達(dá)到了 38.1%（截至 2017 年）。而我國(guó)作為全球煤炭使用量最大的國(guó)家，2017 年全年煤炭消耗量占據(jù)了世界煤炭消耗總

Figure 1-3 Process flow diagram of solar-concentrating thermochemical water splitting[20]圖 1-3 太陽(yáng)能集熱式熱化學(xué)水分解工藝流程圖。（3）電解制氫與其他水分解制氫技術(shù)相比，通電使水分解最為直接高效。由于水分解反應(yīng)是個(gè)吸熱反應(yīng)，所以需要有外界的能量輸入才能使反應(yīng)發(fā)生，對(duì)于電解而言也就是需在外界施加電能才能實(shí)現(xiàn)水的分解。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TB33;TQ116.2

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本文編號(hào)：2595708