过渡金属钴基磷化物的制备及其电催化析氢性能的研究

自20世纪以来,人们需要急切地解决世界范围内存在的两大问题:化石能源的短缺和生活环境的污染,寻找新型可再生清洁能源则是解决问题的第一步。新能源的种类非常多,其中过渡金属钴基磷化物的制备及其电催化析氢性能的研究,氢气具有产物无污染、可再生、燃烧产热量高等一系列优点受到了人们广泛地关注。目前发发库商务信息网,制取氢气的方法有很多,产物无污染的电解水制备氢气是最理想的方法。在电解水过程中,电极存在较大的过电位,因此需要引入催化剂来降低反应的过电位。当前,对析氢催化具有高活性的仍是贵重金属铂以及铂的合金,但是金属铂由于在地壳资源中含量有限以及高昂的成本使其在催化剂发展领域中受到了极大的限制,因此人们目前主要以地壳自然资源含量丰富、成本低的非贵重金属为主要研究对象。在现有研究阶段,对析氢反应具有高活性的非贵重过渡金属成为了工业催化产氢材料的首选。其中,金属钴及其合金就是一种对析氢反应具有高活性的催化剂,但其催化活性以及稳定性可以得到进一步改善,与高导电性、高比表面积的碳材料复合,进一步扩大催化剂的有效比表面积,增多活性位点的暴露,提高催化活性。本文利用工业浸渍法加上高温煅烧两步法合成出生长在氮掺杂碳纳米管上的过渡金属氧化物颗粒,为了进一步提高催化剂在酸性电解液中的性能金属磷化物,对其进行磷化而形成氮掺杂碳纳米管担载金属磷化物颗粒的复合材料MP/NCNTs(M代表过渡金属Co、Ni、Fe以及它们的合金,NCNTs代表氮掺杂碳纳米管)。

我们采用了 XRD、TEM、SEM、XPS等表征手段,对合成的催化剂材料进行了结构形貌表征,并且还研究了其在酸性电解液中的析氢活性及稳定性。由工业浸渍法制备出具有纳米微球结构的金属氧化物颗粒并利用NCNTs作为其载体,随后通过低温磷化法将金属氧化物转变为磷化物,得到纳米颗粒在载体上均匀分布的催化剂材料。实验初期,我们对添加的物料比进行了优化,使催化剂颗粒尽可能多地附着在载体上,并且均匀分布。为了使催化剂材料展现出更佳的析氢催化活性金属磷化物,我们还对磷源的添加量、合成温度和时间以及载气的流速进行了优化实验。根据最佳条件制备出的催化剂材料在酸性电解液中具有优秀的析氢活性以及长时间测试稳定性,主要归功于由此方法制备的催化剂颗粒能够均匀地分布在载体上,有利于暴露更多的析氢活性位点1688批发网,再加上不同金属原子之间的协同效应,可以改变金属电子结构;而良好的稳定性则是由于NCNTs载体上的表面基团对催化剂颗粒的强作用力,有效地阻止了催化剂颗粒在浸渍法制备过程中的团聚和活性成分的迁移,通过异质金属原子掺杂可以增加催化剂表面的粗糙程度,促进氢气泡的脱附,减少了对后续反应的阻碍。本文还提出,在磷化过程中会有少部分磷会进入载体,形成磷掺杂的载体形式,这一点对提高析氢反应活性具有积极作用。

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