【摘要】：全球能源危機(jī)及其相關(guān)環(huán)境問題引起了對清潔,廉價和可再生能源的迫切需求。氫能源是被譽(yù)為21世紀(jì)的清潔能源并由于其高能量密度和零炭排放被視為一種可以替代傳統(tǒng)化石燃料的理想能源,所以氫能源受到了越來越多人的關(guān)注。在目前眾多的制取氫氣的技術(shù)中電催化分解水可以實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)并且原料來自豐富的水源,這種方法被視為實現(xiàn)制氫的最為便捷的途徑之一。目前,Pt基和IrO_2,RuO_2基貴金屬材料已分別被證實是最有效的析氫催化反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)的電催化劑電極材料。但是,它們在地球上含量不足和高成本大大限制了它們的廣泛應(yīng)用。因此,開發(fā)具有廉價的成本,高效率和優(yōu)異穩(wěn)定性的替代貴金屬的電催化劑用于電催化分解水的任務(wù)非常緊迫。理想的電極材料應(yīng)該具備良好的導(dǎo)電性、高的電催化活性、大的比表面積、優(yōu)良的抗腐蝕能力。過渡金屬磷化物其磷原子進(jìn)入金屬晶格之中而形成的間隙化合物而擁有了理想電催化劑的的許多優(yōu)良的性質(zhì),符合制備高效電解水電極的要求。本論文主要通過水熱和低溫磷化的方法在具有三維孔架的泡沫鎳上生長出單金屬以及多金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的過渡金屬磷化物納米材料催化劑并且對其電催化分解水性能進(jìn)行了研究:(1)以三維孔架的泡沫鎳為基底,通過水熱法原位生長出高密度的氫氧化鎳前驅(qū)體納米薄片,隨后通過低溫磷化的方法,在泡沫鎳上制備了多孔的Ni_2P納米薄片。這種簡單低成本的制備方法使得多孔Ni_2P電極材料具有較大的比表面積以及優(yōu)越的膜基結(jié)合能力。通過電化學(xué)行為測試研究發(fā)現(xiàn),在堿性條件下的陰極電流密度為10 mA cm~(-2)時僅僅需要139 mV的過電勢,其析氫過電位優(yōu)于大部分其他同種材料,并且在模擬工業(yè)產(chǎn)氫的高電流密度下也展示出了極好的穩(wěn)定性。(2)在上述工作基礎(chǔ)上利用同種方法,在泡沫鎳上生長出多孔的Ni_2P納米片,隨后通過調(diào)控電沉積工藝的參數(shù),在Ni_2P納米片上沉積一層NiFe LDH納米薄片形成NiFe LDH和Ni_2P的復(fù)合結(jié)構(gòu),使得納米材料的比表面積和活性位點進(jìn)一步增加。電化學(xué)測試后發(fā)現(xiàn),這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的析氧電位得到了明顯的提升。(3)為了探究多元過渡金屬磷化物對電催化性能的影響,以三維孔架的泡沫鎳為基底,通過水熱法和低溫磷化法成功的制備了Cu_3P與Ni_2P的雙金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)磷化物六邊形納米片。通過電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn),雙金屬磷化物特殊的納米形貌和電子結(jié)構(gòu)對電催化性能有著明顯的提升作用,其析氫性能為10 mA cm~(-2)的電流密度下僅僅108 mV的過電勢,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單元的Ni_2P(150 mV)與Cu_3P(200 mV),說明磷化銅與磷化鎳之間發(fā)揮了電耦合作用和協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng),從而加強(qiáng)了電催化性能。
【學(xué)位授予單位】：重慶師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ116.2;TQ426
【圖文】：

圖 3.1 Ni2P 電極制備的工藝流程示意圖Figure 3.1 Schematic diagram of the synthesis of Ni2P electrode預(yù)處理：實驗對象為尺寸為 10 mm × 30 mm × 1 mm 的泡沫鎳。在泡反應(yīng)前，首先去除其表面的氧化膜、有機(jī)物和污染物，將泡沫鎳放入溶液中酸洗 20 分鐘, 然后分別放在丙酮、酒精、超純水中多次進(jìn)行超留的酸和表面有機(jī)污染物，最后將泡沫鎳放入真空干燥箱中烘干 2 反應(yīng)：將清洗烘干后的泡沫鎳置入裝有尿素溶液的聚四氟乙烯內(nèi)膽中氟乙烯內(nèi)膽封入不銹鋼反應(yīng)釜中，在 120 ℃的溫度環(huán)境中進(jìn)行 6 h 的熱反應(yīng)。磷化處理：根據(jù)文獻(xiàn)報道，為使獲得的氫氧化鎳轉(zhuǎn)化為具有優(yōu)良析氫，將泡沫鎳樣品置入磁舟之中，稱取 0.5 g 次磷酸二氫鈉放置在另一將放有泡沫鎳的磁舟置于石英管下游，另一磁舟位于石英管下游隨

電化學(xué)反應(yīng)中，化學(xué)價態(tài)在其催化性能方面起著關(guān)鍵作用，為了能夠確i2P 納米片中各元素組成和價態(tài)分布，我們對該復(fù)合物進(jìn)行了 X 射線光電析表征，如圖 3.4 所示。圖 3.4a 顯示了多孔 Ni2P 納米材料中各元素的全測到了 Ni，P，C 和 O 的信號，其中 O 元素主要來自于暴露在空氣中的圖 3.3b 是 Ni 元素的高分辨 XPS 譜圖，峰值中心位于 853.3 eV，帶有一峰位在 859.2 eV 是屬于 Ni 2p3/2，而峰值在 871.3 eV 帶有一個衛(wèi)星峰峰位V 對應(yīng)于 Ni 2p1/2，Ni 的 2p 峰位正好與 Ni2P 中Ni 信號的特征峰相一致[40 是對于 P 元素的光電子精細(xì)能譜，其中 P 2p 光譜顯示出以 129.9 eV 為中和 133.8 eV 的強(qiáng)峰，可分別對應(yīng)于 Ni2P 相中的 Pδ-和其表面氧化的 P 物-或 P2O5[42]， 這是由于 Ni2P 表面暴露在空氣中所導(dǎo)致的氧化。 O 1s 能分析進(jìn)一步支持了我們的推測，圖 3.4d 可以觀察到 O 1s 峰可以進(jìn)一步分導(dǎo)的特征峰，分別為 533.1 eV 和 531.5 eV，這可以歸因于吸收的 O 物種[43-46]。XPS 里面存在較強(qiáng)氧的信號是不可避免的，因為在模板法合成過鎳中的晶格氧和磷化物表面在空氣中的氧化是在所難免的。 XPS 結(jié)果與關(guān) Ni2P 的其他現(xiàn)有報告是比較一致的[47-48]。

圖 3.5 典型的氫氧化鎳納米片的 TEM 圖像ure 3.5 TEM image of a typical nickel hydroxide nanosheeti2P 納米片顯然具有多孔結(jié)構(gòu)（紅色圓圈）和粗糙的 3D 框架納米片不變（圖 3.6a）。高分辨率 TEM部分納米片（圖 3.6b）給出了清晰的晶格條紋，結(jié)晶度，并且證明了磷化反應(yīng)的成功。晶面間距)平面了 Ni2P。另外，相應(yīng)的快速傅立葉變換 H標(biāo)準(zhǔn)六角形 Ni2P 的電子衍射圖案沿 [122]晶代軸STEM）圖像（圖 3c）和相應(yīng)的 EDS 元素映射圖像 P 元素的分布是均勻的，并且單個納米片中 Ni 和可以證明已成功制備出具有優(yōu)異晶體質(zhì)量和良好成

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本文編號：2802996