本文關(guān)鍵詞：金屬硫化物納米陣列的合成及其在電催化析氫領(lǐng)域中的應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 析氫反應(yīng) 金屬硫化物 納米陣列 電催化

【摘要】：21世紀(jì)人類面臨著兩大問題——能源短缺問題和環(huán)境污染問題,解決這些問題的有效途徑之一是開發(fā)清潔高效的新能源——?dú)淠堋＠秒娊馑蛘吖怆娊馑苽錃錃?不僅使得整個(gè)過程綠色經(jīng)濟(jì),而且能夠有效地實(shí)現(xiàn)能源間的相互轉(zhuǎn)化利用。盡管目前電解水最好的催化劑是Pt系貴金屬,但是由于其價(jià)格高昂,地球儲(chǔ)量較低等因素致使其很難大規(guī)模地應(yīng)用于生產(chǎn)中。開發(fā)替代性的催化劑對整個(gè)電解水或光電解水工業(yè)有著十分重要的意義,其中,金屬硫化物材料就是一類具有廣闊應(yīng)用前景的新型析氫催化劑材料。另外,陣列化可以有效地增加催化劑的活性比表面積,改變材料的浸潤性,因而可以提高催化材料的催化性能。本論文通過一步水熱法合成了CoS2納米錐陣列電極和CoS2@MoS2納米陣列復(fù)合材料電極以及兩步法制備了Co-Mo-S納米片陣列電極,并研究了它們電催化析氫的性能。具體研究內(nèi)容如下：1、CoS2納米陣列材料的合成及其在電催化析氫中的應(yīng)用利用一步水熱的方法,在不同的導(dǎo)電基底(Ti片和三維碳紙)上制備了CoS2納米錐陣列。在Ti基底上,通過控制水熱反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間,結(jié)合掃描電鏡技術(shù)研究了CoS2納米錐陣列的生長過程。然后在酸性條件下研究了不同反應(yīng)時(shí)間的CoS：納米錐樣品的析氫性能,得到了性能最好的反應(yīng)時(shí)間為15h。相比于其他反應(yīng)時(shí)間的樣品,15h的CoS2樣品具有最大的電化學(xué)活性面積和最小的反應(yīng)電阻。由于CoS2材料良好的化學(xué)穩(wěn)定性,酸性條件下最優(yōu)化的樣品在中性和堿性體系中也表現(xiàn)出良好的電催化析氫反應(yīng)活性和穩(wěn)定性,證明了CoS2納米錐陣列是一種適用于所有pH值體系的析氫催化劑。在三維碳紙基底上,通過調(diào)控反應(yīng)初始的投料比和反應(yīng)溶劑,合成了薄膜、微米錐陣列和納米錐陣列三種不同形貌的CoS2催化劑,并對不同形貌的CoS2催化劑的在酸性體系中析氫性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：CoS2催化劑析氫性能與形貌之間的關(guān)系,即納米錐陣列優(yōu)于微米錐陣列和薄膜,這是因?yàn)榧{米錐擁有更高的電化學(xué)活性面積和良好的導(dǎo)電性。將這種三維CoS2納米陣列材料的電催化活性與其他己報(bào)道的文獻(xiàn)相比,該催化劑表現(xiàn)出了優(yōu)異的電催化活性,不僅起峰電位只有61 mV,而且陰極電流達(dá)到100 mA/cm2所需的電壓也僅有140 mV。最后,在酸性、中性和堿性三種體系中研究了催化劑的工作穩(wěn)定性,結(jié)果表明：三維CoS2納米陣列催化劑在三種體系中均能夠穩(wěn)定工作,再一次證明了CoS2納米錐陣列析氫催化劑適用于所有pH值條件下。2、CoS2@MoS2納米陣列復(fù)合材料的合成及其在電催化析氫中的應(yīng)用通過一步水熱法,在Ti基底上生長了MoS2納米片包裹CoS2納米立方塊陣列。通過控制反應(yīng)時(shí)間,結(jié)合掃描電鏡技術(shù),發(fā)現(xiàn)CoS2@MoS2納米陣列復(fù)合材料的生長過程主要由兩步組成——高結(jié)晶度的CoS2納米立方塊先沉積,然后無定形的MoS2納米片再包裹。利用XRD、Raman、HRTEM以及能譜技術(shù)對這種復(fù)合材料進(jìn)行了進(jìn)一步表征,發(fā)現(xiàn)CoS2納米立方塊是具有良好的結(jié)晶性,而MoS2納米片則是無定形的并且有Co元素?fù)诫s。性能測試的結(jié)果表明,相比于單一的CoS2和MoS2陣列材料,CoS2@MoS2納米陣列復(fù)合材料,作為析氫反應(yīng)陰極電極,在酸性條件下表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的析氫性能,這從以下幾個(gè)方面解釋：CoS2@MoS2納米陣列復(fù)合材料擁有更高的電化學(xué)活性面積；高結(jié)晶度的CoS2有良好的導(dǎo)電性；無定形的Co摻雜MoS：擁有更多的活性位點(diǎn)。該硫化物復(fù)合催化材料也表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和工作穩(wěn)定性,可以從復(fù)合材料的結(jié)合牢固和對氫氣氣泡的粘附力小兩個(gè)方面解釋。3. Co-Mo-S納米片陣列材料的合成及其在電催化析氫中的應(yīng)用利用兩步法——先水熱合成后高溫硫化,在Ti基底上生長了無定形的Co-Mo-S超薄膜包裹高結(jié)晶度CoMoO4納米片陣列。通過調(diào)控水熱反應(yīng)初始原料比,可以得到兩種不同形貌的Co-Mo-O前驅(qū)體——多級(jí)結(jié)構(gòu)納米片陣列和超薄納米片陣列。在高溫硫化過程后,納米顆�；腃o-Mo-S納米片陣列出現(xiàn)了明顯的介孔結(jié)構(gòu)。利用XRD、Raman、HRTEM以及能譜技術(shù)對兩種不同形貌的材料進(jìn)行了表征,發(fā)現(xiàn)材料中的CoMoO4核是具有良好的結(jié)晶性,而Co-Mo-S殼則是無定形的并且有Co、Mo以及S三種元素共摻雜。性能測試的結(jié)果表明,相比于單一的CoS2和MoS2陣列材料,Co-Mo-S多級(jí)結(jié)構(gòu)納米片陣列和超薄納米片陣列材料,作為析氫反應(yīng)陰極電極,在酸性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的析氫性能,這主要源于以下幾個(gè)方面：Co-Mo-S多級(jí)結(jié)構(gòu)納米片陣列和超薄納米片陣列材料的介孔結(jié)構(gòu)使得電極擁有更高的電化學(xué)活性面積,從而具有更多的活性位點(diǎn)；開放的多孔結(jié)構(gòu)使得電解質(zhì)和反應(yīng)產(chǎn)物能夠得到有效地?cái)U(kuò)散,從而活性物質(zhì)的利用率更高；無定形的Co-Mo-S共摻雜的催化層具有更高的本征催化活性。另外,Co-Mo-S多級(jí)結(jié)構(gòu)納米片陣列比超薄納米片陣列材料表現(xiàn)出更好的工作穩(wěn)定性,主要由于多級(jí)結(jié)構(gòu)的納米片更加牢固,顯示出構(gòu)筑多級(jí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。
【關(guān)鍵詞】：析氫反應(yīng) 金屬硫化物 納米陣列 電催化
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36;TQ116.2
【目錄】：

• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集3-4
• 摘要4-8
• ABSTRACT8-17
• 第一章 緒論17-39
• 1.1 研究背景17
• 1.2 析氫反應(yīng)17-24
• 1.2.1 析氫反應(yīng)機(jī)理18-19
• 1.2.2 常見的析氫電極材料及其研究現(xiàn)狀19-24
• 1.3 金屬硫化物析氫電極24-30
• 1.3.1 金屬硫化物析氫電極的制備24-26
• 1.3.2 MoS_2和WS_2材料26-29
• 1.3.3 CoS_2和CoSe_2材料29-30
• 1.4 納米陣列材料30-35
• 1.4.1 納米陣列的合成30-32
• 1.4.2 納米陣列的應(yīng)用32-35
• 1.5 本論文的研究意義及研究內(nèi)容35-39
• 1.5.1 研究意義35-36
• 1.5.2 研究內(nèi)容36-39
• 第二章 CoS_2納米陣列材料的合成及其在電催化析氫中的應(yīng)用39-61
• 2.1 引言39-40
• 2.2 主要試劑與實(shí)驗(yàn)儀器40
• 2.2.1 主要試劑40
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器40
• 2.3 實(shí)驗(yàn)部分40-42
• 2.3.1 CoS_2納米陣列材料的合成41
• 2.3.2 CoS_2納米陣列材料的表征41-42
• 2.3.3 CoS_2納米陣列材料的電化學(xué)性能測試42
• 2.4 結(jié)果與討論42-58
• 2.4.1 CoS_2納米陣列材料的結(jié)構(gòu)表征42-50
• 2.4.2 CoS_2納米陣列材料的電催化析氫性能研究50-58
• 2.5 本章小結(jié)58-61
• 第三章 CoS_2@MoS_2納米陣列復(fù)合材料的合成及其在電催化析氫中的應(yīng)用61-75
• 3.1 引言61-62
• 3.2 主要試劑與實(shí)驗(yàn)儀器62-63
• 3.2.1 主要試劑62
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器62-63
• 3.3 實(shí)驗(yàn)部分63-65
• 3.3.1 CoS_2@MoS_2納米陣列復(fù)合材料的合成63
• 3.3.2 CoS_2@MoS_2納米陣列復(fù)合材料的表征63-64
• 3.3.3 CoS_2@MoS_2納米陣列復(fù)合材料的電化學(xué)性能測試64-65
• 3.4 結(jié)果與討論65-73
• 3.4.1 CoS_2@MoS_2納米陣列復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征65-68
• 3.4.2 CoS_2@MoS_2納米陣列復(fù)合材料的電催化析氫性能研究68-73
• 3.5 本章小結(jié)73-75
• 第四章 Co-Mo-S納米片陣列材料的合成及其在電催化析氫中的應(yīng)用75-89
• 4.1 引言75-76
• 4.2 主要試劑與實(shí)驗(yàn)儀器76-77
• 4.2.1 主要試劑76
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器76-77
• 4.3 實(shí)驗(yàn)部分77-79
• 4.3.1 Co-Mo-S納米片陣列材料的合成77
• 4.3.2 Co-Mo-S納米片陣列材料的表征77-78
• 4.3.3 Co-Mo-S納米片陣列材料的電化學(xué)性能測試78-79
• 4.4 結(jié)果與討論79-88
• 4.4.1 Co-Mo-S納米片陣列材料的結(jié)構(gòu)表征79-83
• 4.4.2 Co-Mo-S納米片陣列材料的電催化析氫性能研究83-88
• 4.5 本章小結(jié)88-89
• 第五章 結(jié)論89-91
• 參考文獻(xiàn)91-99
• 致謝99-101
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文101-103
• 作者及導(dǎo)師簡介103-104
• 碩士研究生學(xué)位論文答辯委員會(huì)決議書104-105

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