【摘要】：隨著傳統(tǒng)化石燃料的逐步消耗,能源短缺和環(huán)境污染問題變得日益嚴(yán)峻。因此,發(fā)展經(jīng)濟高效和可持續(xù)的綠色能源顯得尤為迫切。氫能具有高能量轉(zhuǎn)換效率、清潔可再生等優(yōu)點,被認為是一種非常有應(yīng)用潛力的理想綠色能源,而電催化分解水是非常有效的產(chǎn)氫方式之一。目前,析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)性能最好的催化劑仍然是一些鉑基金屬和銥、釕金屬氧化物等貴金屬材料,但是它們稀缺的儲量、高昂的成本以及較差的穩(wěn)定性嚴(yán)重制約了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。因此,大多數(shù)的研究者們將目光聚焦在尋找和制備價格低廉、高效穩(wěn)定以及無污染的非貴金屬催化劑材料上。二硫化鉬(MoS_2)因其儲量大、催化性能較好和對環(huán)境友好等的特點而被廣泛研究。但是,其在堿性條件下的催化析氫和析氧性能還有待提高。因此,本論文從雜原子摻雜、耦合界面入手,構(gòu)筑了系列MoS_2基電催化劑,對其電催化水分解性能進行了詳細系統(tǒng)的研究。主要研究內(nèi)容與實驗結(jié)果如下:1.采用溫和的一步水熱法在3D泡沫鎳基體上制備出鎢摻雜的MoS_2@Ni_3S_2(Mo_((1-x))W_xS_2@Ni_3S_2)雜化電極,并系統(tǒng)地考察了該電極的電催化HER和OER性能。結(jié)果表明所制備的Mo_((1-x))W_xS_2@Ni_3S_2雜化電極只需98和285 mV的HER和OER過電位即可達到10 mA cm~(-2)的電流密度,其水分解電壓也只有1.62 V。該電極優(yōu)異的電催化性能可歸結(jié)于W的摻雜有效地調(diào)控了MoS_2的電子結(jié)構(gòu)。因此,Mo_((1-x))W_xS_2@Ni_3S_2電極的成功制備為設(shè)計高效穩(wěn)定的全水分解雙功能催化劑提供了新的研究思路。2.通過水熱與溶劑熱法相結(jié)合的技術(shù)制備出NiOOH修飾的MoS_2@Ni_3S_2(MoS_2@Ni_3S_2 NWs-NF/NiOOH)雜化電極,并將其應(yīng)用于電催化水分解領(lǐng)域中。實驗結(jié)果表明NiOOH與MoS_2@Ni_3S_2的復(fù)合有利于電極材料導(dǎo)電性的提高,二者的協(xié)同作用明顯地提高了電極催化活性。在電流密度為10 m A cm~(-2)時,MoS_2@Ni_3S_2 NWs-NF/NiOOH電極的HER和OER過電位分別為101和266 mV,全水分解電壓則為1.60 V。此實驗為設(shè)計與制備高性能的雙功能電催化劑提供了新的方向。3.利用水熱法與恒電流電沉積相結(jié)合的技術(shù)合成出FeOOH修飾的MoS_2@Ni_3S_2(MoS_2@Ni_3S_2 NWs-NF/FeOOH)雜化電極,并系統(tǒng)地研究了該復(fù)合電極的電催化性質(zhì)。實驗結(jié)果表明,在電流密度為10 mA cm~(-2)時,MoS_2@Ni_3S_2NWs-NF/Fe OOH電極的HER和OER過電位分別為95和234 mV,全水分解電壓也僅有1.57 V。此外,密度泛函理論(DFT)計算表明耦合界面的存在有效地優(yōu)化了H和含氧中間體的化學(xué)吸附能,促進了HER和OER過程。因此,這項工作標(biāo)志著在開發(fā)具有高成本效益的全水分解催化材料方面邁出了重要的一步。
【圖文】：

圖 1-1 電解水示意圖。Figure 1-1. Schematic diagram of electrochemical water splitting.性條件下，電分解水的 HER 和 OER 過程分別為：陰極反應(yīng)(還原)：2H+(aq) + 2e-→ H2(g) 陽極反應(yīng)(氧化)：2H2O(l) →O2(g) + 4H+(aq) + 4e-性條件下，電分解水的 HER 和 OER 過程則分別為：陰極反應(yīng)(還原)：2H2O(l) + 2e-→ H2(g) + 2OH-(aq) 陽極反應(yīng)(氧化)：4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4e-應(yīng)為：2H2O(l) → H2(g) + O2(g) 應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能 ΔG=237.2 kJ mol-1，由公式(1-6)可FE (n 為水分解反應(yīng)轉(zhuǎn)移電子摩爾數(shù)，法拉第常量 F=96485.3的理論電壓為 1.23 V。然而，實際的電解水過程中不僅有電阻

蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文 二硫化鉬基復(fù)合電極的制備與電催化水分解性能研究具備儲量豐富，，性能較好和高穩(wěn)定性等特點，且現(xiàn)實中電解水設(shè)備采用的仍是堿性溶液[7]。因此，發(fā)展經(jīng)濟適用的，高活性和高穩(wěn)定性的 HER 和 OER 電催化劑應(yīng)用于堿性電解液中的全水分解是非常必要的。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TQ116.21

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本文編號：2647210