【摘要】：電分解水為我們提供了一個至關(guān)重要的生產(chǎn)和儲備純凈氫氣能源的可行性方式。尋求一個高效、穩(wěn)定、廉價的催化劑來促進(jìn)電分解水是目前電催化領(lǐng)域的研究熱點之一。近年來,過渡金屬磷化物(TMPs)作為一種儲量豐富、成本廉價的電催化劑,廣泛應(yīng)用于析氫反應(yīng)(HER)、析氧反應(yīng)(OER)和其他能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)的研究中。目前TMPs制備方法主要有水熱法、電沉積以及高溫反應(yīng)法等。然而具有實際應(yīng)用價值的電沉積法很難制備具有較大電活性面積的多孔金屬磷化物材料。本論文通過氫氣氣泡模板法,研究制備了一系列一元、二元和三元多孔金屬磷化物,研究了其電催化分解水的催化活性,并探討了金屬磷化物中多元金屬間的協(xié)同作用。為了獲得多孔金屬磷化物,我們以鎳網(wǎng)(NM)作為基板,通過氫氣泡模板法制備了三元金屬鎳鐵鈷磷(NiFeCoP/NM)催化劑。作為對比,在相同條件制備還制備了一元金屬磷化物(鎳磷、鐵磷、鈷磷)和二元金屬磷化物(鎳鈷磷、鐵鈷磷)催化劑。通過SEM、EDX、XRD和XPS對制備的催化劑進(jìn)行表征,結(jié)果表明制得的一系列微米級多孔結(jié)構(gòu)金屬磷化物均為無定形結(jié)構(gòu)。NiFeCoP鍍層厚度為～20 μm,孔深度為3-15μm,孔徑為3-20 μm。通過線性掃描伏安法(LSV)測定所制備電極的電催化析氫性能。發(fā)現(xiàn)電流密度為10 mAcm-2時,NiFeCoP/NM電催化析氫過電勢僅為33 mV,相比一元和二元金屬磷化物材料降低很多。同時發(fā)現(xiàn),三元NiFeCoP/NM具有高效的電催化析氧能力。在電流密度為10 mA cm-2時,其電催化析氧過電勢為279 mV。低的催化析氫、析氧過電勢表明三元NiFeCoP/NM復(fù)合材料高的電催化析氫、析氧活性。進(jìn)而,以NiFeCoP/NM電極作為雙功能電極進(jìn)行電解水,在電流密度為10和50mAcm-2,其分解電壓分別為1.64V和1.87V,證明其具有良好的全分解水電催化能力。同時,我們也發(fā)現(xiàn)三元NiFeCoP/NM復(fù)合材料在不同濃度堿性水溶液中具有良好的電催化穩(wěn)定性。ECSA計算結(jié)果表明,三元NiFeCoP/NM復(fù)合電極具有更大的電化學(xué)活性面積(30.0 cm2)。為了理解多元材料在HER中的本征活性,而通過對其HER過程的LSV曲線進(jìn)行ECSA歸一化處理后,我們發(fā)現(xiàn)三元NiFeCoP/NM復(fù)合電極的高催化活性,不僅歸因于其大的電化學(xué)活性面積,而且材料中多元金屬間協(xié)同作用作出了較大的貢獻(xiàn)。同時,我們發(fā)現(xiàn)本征催化活性最高的復(fù)合材料為二元NiFeP/NM。由于二元NiFeP的本征催化活性最好。為了提高NiFeP的電化學(xué)活性面積并增強(qiáng)其電催化活性,以鎳網(wǎng)(NM)作為基板,利用氫氣氣泡法,通過對鎳鐵比例、沉積電流、沉積時間等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,電沉積制備較大比表面積的NiFeP/NM催化劑。結(jié)果表明,當(dāng)鍍層中鎳鐵摩爾比為1:3.6,沉積電流為1.2A,沉積時間為60s時,獲得了厚度約20 μm,孔徑大小為3-18 μm,孔的深度為4-15 μm的微米級多孔結(jié)構(gòu)的無定形的Ni2.5Fe9P/NM復(fù)合材料。通過LSV技術(shù)對二元NiFeP/NM電極進(jìn)行電催化析氫、析氧活性測定。在1.0M堿液中,電流密度為10mAcm2時,NiFeP/NM電極催化析氫反應(yīng)過電勢為69 mV,對應(yīng)塔菲爾斜率為104.78 mV dec-1,電催化析氧反應(yīng)的過電勢達(dá)到為282 mV。該材料在長期析氫、析氧過程,穩(wěn)定性較好。NiFeP/NM ‖ NiFeP/NM雙電極電解水測試中同樣發(fā)現(xiàn)其較低的電解電壓且及優(yōu)異的穩(wěn)定性。通過循環(huán)伏安(CV)技術(shù)測試并計算了所制備二元NiFeP/NM材料的電化學(xué)雙層電容(CDL)以及電化學(xué)活性面積ECSA)。其CDL為0.96mFcm-2,ECSA為24.0 cm2。對材料析氫過電勢歸一化處理發(fā)現(xiàn),析氫活性的改善主要是源于電極材料的本征催化活性以及ECSA。
【圖文】：

圖２－１鎳網(wǎng)的圖片逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋ｔｈｅ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｎｉ邋ｍｅｓｈ逡逑

Ｆｉｇ．邋３－２邋ｔｈｅ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋（ａ）邋ＮｉＦｅＣｏＰ，邋（ｂ）邋ｔｈｅ邋ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ邋ＳＥＭ邋ｏｆ邋ＮｉＦｅＣｏＰ，邋（ｃ）邋ｔｈｅ邋ＴＥＭ逡逑ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ＮｉＦｅＣｏＰ，，邋（ｄ）邋ｔｈｅ邋ＨＲ－ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ＮｉＦｅＣｏＰ逡逑圖３－１所示為處理后的商業(yè)鎳網(wǎng)的低倍ＳＥＭ微觀照片，通過掃描電鏡圖片能逡逑夠清晰看出基板材料金屬鎳網(wǎng)具有光滑銀白色的表面，且其形貌為編織狀網(wǎng)絲骨逡逑１８逡逑
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TB383

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本文編號：2610857