非晶态NiP基催化剂的制备及电催化析氢性能研究

以NaH₂PO₂和Ni₂SO₄为磷源和镍源,使用一锅法合成了非晶态NiP合金及其碳纳米（乙炔黑和石墨烯）复合催化剂。用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）、热重分析（TGA）、电感耦合等离子体光谱仪（ICP）分别对催化剂性能和组成进行了表征和分析。通过线性扫描伏安对催化剂在酸性和碱性条件下的析氢性能进行了评价,研究结果表明,非晶态NiP/还原氧化石墨烯复合催化剂（NiP/RGO）展现出优异的电催化性能。在0.5 mol/L H₂SO₄中的起始过电位为89.0 mV,塔菲尔斜率为135.1 mV/decade;在1 mol/L NaOH中,起始过电位为116.1 mV,塔菲尔斜率为122.4 mV/decade,这与商业化Pt黑催化剂很接近。500次循环以后,催化剂活性没有明显下降,表明该催化剂具有良好的稳定性。该研究提供了一种简单可行的制备非贵金属磷化物方法用于电催化析氢反应。     

一种高效的非晶态Co(OH)2水氧化电催化剂

电催化氧化水包括析氧和析氢两个半反应(OER和HER),而其中合成高效廉价的催化剂则至关重要.合成了在碱性溶液中具有高活性、良好稳定性的非晶态Co(OH)_2纳米材料用于析氧反应催化剂,实验证明该材料的性能可以和商用RuO_2相媲美.与目前商用的RuO_2催化剂相比,非晶态Co(OH)_2材料的塔菲尔斜率较小,仅为67 mV/decade,且经过24 h的电流i-t曲线测试衰减较少.此外,该非晶态Co(OH)_2纳米管的性能优于晶态Co(OH)_2纳米管.因此,非晶态Co(OH)_2纳米材料是一种很有前途的析氧反应催化剂.     

富氮洋葱碳包覆的Ni/NiFe2O4纳米棒析氧电催化剂

将镍铁金属配位聚合物前驱体在惰性气氛下热分解制备了富氮洋葱碳(ONC)包覆的Ni/Ni Fe_2O_4多孔纳米棒复合析氧电催化剂,与Ni@ONC,Ni Fe_2O_4材料及传统Ru O_2催化剂相比,得益于这种富氮洋葱碳包覆的Ni/Ni Fe_2O_4一维多孔纳米异质结构,Ni/Ni Fe_2O_4@ONC材料拥有更优异的导电性能和更大的电化学活性面积(0.149 m F),因而表现出更优异的析氧电催化性能。Ni/Ni Fe_2O_4@ONC纳米棒在1 mol·L~(-1) KOH溶液中,10 m A·cm-2下的析氧过电位仅为299 m V,塔菲尔斜率为73 m V·dec-1,展现出优异的析氧稳定性能。     

氧化石墨烯基钴卟啉复合材料的电催化析氢反应

制备了5,10,15,20-四(苯基)卟啉钴配合物(CoTPP), 并利用该配合物与氧化石墨烯(GO)的π?π堆积作用组装了CoTPP/GO电催化产氢复合材料. 研究发现, 当CoTPP与GO的质量比为1∶15时, 复合材料的性能最佳. 该材料的拉曼和扫描电子显微镜结果显示, 与GO相比, CoTPP/GO复合材料表面的无序程度增加, 形貌改变有利于促进反应体系的电荷迁移与分离; 交流阻抗测试结果显示, 阻抗值由GO的1180 Ω降低为CoTPP/GO材料的734 Ω; 电化学测试结果显示, 析氢起始过电位由-761 mV降低为-337 mV, 塔菲尔斜率由296 mV/dec 降低至174 mV/dec, 法拉第效率却由23%提高至87%. 加入二苯硫醚(SPh₂)轴向配体后, CoTPP(SPh₂)/GO材料的析氢起始过电位进一步降低至-235 mV, 塔菲尔斜率降低至163 mV/dec, 法拉第效率提高至94%. 研究结果表明, 通过氧化石墨烯与金属卟啉的非共价键自组装是构筑石墨烯基电催化产氢材料的一个有效途径.     

泡沫镍上电沉积花瓣状NiFeO_xH_y/rGO用于析氧反应（英文）

开发碱性体系的高效低成本析氧电催化剂是由可再生能源转化制氢的关键。本研究通过在泡沫Ni基底上原位电化学沉积的方法制备了花瓣状NiFeO_xH_y和NiFeO_xH_y/rGO复合催化剂用于析氧反应。花瓣状的结构不仅明显提高了催化剂的比表面积,而且暴露了更多的层状边缘和缺陷,进而增加了催化剂的活性中心。还原氧化石墨烯的加入进一步提升了催化剂的电导和析氧电催化性能,通过优化NiFeO_xH_y/r GO在1 mol/L KOH溶液中的析氧性能为:过电位200 mV(10 mA/cm~2)、Tafel斜率29.11 mV/decade,并且保持了较好的稳定性。     

磷化镍/氮硫双掺杂石墨烯复合材料的制备及电催化析氢性能

采用水热法合成了具有高活性的磷化镍纳米晶(Ni₂P), 并合成了氮、 硫共掺杂石墨烯负载磷化镍纳米催化剂(Ni₂P/NSRGO). 对该催化剂的结构和形貌进行了表征, 并研究其电催化析氢性能. 电化学测试结果表明, Ni₂P/NSRGO复合电催化剂的析氢性能优于Ni₂P/RGO催化剂, 具有较小的Tafel斜率(35 mV/dec)、 较低的过电位(η₁₀=140 mV)和良好的稳定性.     

无定型钼硫化物/还原氧化石墨烯的辐射合成及其电催化析氢性能

钼硫化物被认为是一种高效的电催化析氢反应的催化剂,因此其合成方法受到了广泛的研究和关注。本文以四硫代钼酸铵和氧化石墨为前驱体,利用γ射线对其辐照还原,一步法制备了钼硫化物/还原氧化石墨烯(Mo S_x/RGO)复合材料。通过X射线光电子能谱、X射线衍射、透射电子显微镜、Raman光谱等表征手段确认复合材料中的Mo Sx为无定型结构,且氧化石墨烯得到了有效的还原。同时系统研究了吸收剂量、前驱体配比对复合材料作为析氢反应催化剂性能的影响。结果发现,Mo Sx/RGO复合材料具有优异的催化性能,其催化起始电压为110 m V,在电流密度为10 m A·cm~(-2)时过电势仅为160 m V,Tafel斜率为46 m V·dec~(-1),说明该催化剂催化析氢机理为Volmer-Heyrovesy机理。此外,Mo Sx/RGO复合材料还具有良好的催化稳定性。     

泡沫镍上电沉积花瓣状NiFeOxHy/rGO用于析氧反应

开发碱性体系的高效低成本析氧电催化剂是由可再生能源转化制氢的关键。本研究通过在泡沫Ni基底上原位电化学沉积的方法制备了花瓣状NiFeO_xH_y和NiFeO_xH_y/rGO复合催化剂用于析氧反应。花瓣状的结构不仅明显提高了催化剂的比表面积,而且暴露了更多的层状边缘和缺陷,进而增加了催化剂的活性中心。还原氧化石墨烯的加入进一步提升了催化剂的电导和析氧电催化性能,通过优化NiFeO_xH_y/rGO在1 mol/L KOH溶液中的析氧性能为：过电位200 mV（10 mA/cm²）、Tafel斜率29.11 mV/decade,并且保持了较好的稳定性。     

石墨烯负载超薄二硫化钼杂化材料的电催化析氢性能

以磷钼酸和L-半胱氨酸作为前驱体,还原氧化石墨烯作为载体,采用水热法一步合成了超薄二硫化钼/还原氧化石墨烯杂化材料(UT-MoS_2/rGO)。作为电催化析氢(HER)非贵金属催化剂,对其结构特征和在0.5 mol·L-1H2SO4溶液中氧化还原反应的催化性能进行表征。结果显示,得益于UT-MoS_2暴露的丰富活性位点、导电rGO片的稳定支撑以及MoS_2与rGO的良好结合,UT-MoS_2/rGO显示了优异的电催化性能。其起始过电势为-66 mV;电流密度为-10 mA·cm-2时过电势为-145 mV,Tafel斜率为42.9 mV·dec-1;交流阻抗为0.76Ω;在0.1～0.2 V范围内循环伏安测试1000次后,其催化活性仍能保持98%。     

血小板状Ru掺杂Ni2P纳米催化剂的合成及其双功能电催化析氢和析氧性能

采用简单的一锅法制备了血小板状Ru掺杂Ni_2P纳米片催化剂。金属Ru的引入不但显著增强了催化剂的电子传输性能,而且导致血小板状纳米片表面产生了大量阶梯/位错缺陷;此外,电催化活性位点测试表明Ru和Ni_2P均是电催化的有效活性组分。这些因素共同促进了电催化析氢(HER)和析氧反应(OER)过程。对于HER,该催化剂表现出明显优于单一Ni_2P和Ru且接近商用20%(w/w)Pt/C催化剂的初始电位(35 mV)和Tafel斜率(34 mV·dec~(-1))以及长久的稳定性(3 000圈)。对于OER,该催化剂表现出优于Ni_2P、Ru、20%Pt/C且接近商用IrO_2催化剂的初始电位(1.54 V)和过电势η10(0.49 V)。     

单原子改性二硫化钼电催化析氢

氢能是21世纪最理想的清洁能源之一。相比于天然气和煤炭制氢,电解水制氢具有成本低、效率高、无污染、原料丰富的特点,可以有效缓解CO₂过量排放导致的温室效应。电催化析氢需要活性高、稳定性好、廉价易得的催化剂克服反应能垒并加速动力学过程,对实现分解水制氢的规模化应用具有重要的推动作用。铂基催化剂被公认为性能最优异的析氢电催化剂之一,但由于丰度低、成本高,不适用于大规模产氢。二硫化钼(MoS₂)作为典型的二维材料之一,因其高活性位点暴露和高比表面积在析氢领域展现出一定的应用潜能,并有望取代铂基催化剂。本文基于MoS₂电催化剂在析氢领域的研究现状,对单原子掺杂改性MoS₂以提高其催化活性的研究进行了综述,以析氢过电位(Overpotential)及塔菲尔(Tafel)曲线斜率为依据,总结了贵金属单原子、非贵金属单原子及非金属单原子改性MoS₂催化剂的结构与性能以及它们之间的构效关系,在此基础上,提出MoS₂析氢催化剂目前存在的科学问题并指出了未来的努力方向。     

纳米非晶镍硼合金的合成及其碱性电催化析氢性能研究（英文）

可持续能源电解水制氢是实现零碳排放氢经济的有效途径。碱性环境下的电催化析氢反应(HER)是电解水技术主要的能量转换过程之一。开发高活性、低成本的非贵金属催化剂是碱性电解水析氢反应的关键所在。本研究以壳寡糖为保护剂,采用简单易行的化学还原法制备了纳米NiB非晶合金电催化剂并用于碱性析氢反应。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、电感耦合等离子体分析(ICP)和X射线光电子能谱(XPS)等多种表征方法研究了不同条件下获得的催化剂结构组成及特征物性参数。结果表明,壳寡糖的加入可以有效调控纳米粒子的平均粒径为4 nm左右,提升活性比表面积,增加活性位点,从而提高其电催化活性。所制备的NiB-COS在1.0 mol/L NaOH中表现出优异的HER性能,析氢反应起始过电位仅为15.1 mV,在电流密度为10 mA/cm²时HER过电位为49.4 mV,Tafel斜率为86.1 mV/dec,为制备高活性、低成本、简单易得的HER电催化剂提供了重要策略。     

Ni(OH)_2/Ni/g-C_3N_4复合材料:一种高效的析氢电催化剂（英文）

高效析氢催化剂的制备仍是目前亟待解决的重要课题。本研究采用液相浸渍原位还原法制备了Ni(OH)_2/Ni/gC_3N_4复合催化剂,并与碳纸(CP)组合作为微生物电解电池(MEC)的阴极。采用SEM、TEM、XRD、XPS和电化学分析等技术对所制备的催化剂样品的结构性质和析氢电催化性能进行了分析研究。结果表明,Ni(OH)_2/Ni/g-C_3N_4催化剂在100 A/cm~2的电流密度驱动下具有优秀的析氢过电位(1881 mV)、较低的电荷转移电阻(10.86Ω)和较低的塔费尔斜率(44.3 mV/dec),其电化学活性优于纯g-C_3N_4催化剂和CP,甚至可与Pt催化剂媲美。     

二硫化钼纳米片/碳纳米纤维杂化材料的制备及其析氢性能

以碳纳米纤维(CNFs)作为负载基体和反应器采用静电纺丝技术和碳化工艺生长和调控二硫化钼(MoS_2)纳米片。通过改变前驱体溶液浓度来调控纳米片的形貌和结构,利用MoS_2纳米片的高催化活性和CNFs高比表面积、良好的稳定性以及高电导率的协同作用,研究不同形貌和结构的杂化纳米材料在电催化析氢方面的应用,探索杂化材料形貌与性能之间的潜在规律。运用多种分析测试技术对制备得到的纳米杂化材料进行表征,并对所制备的MoS_2/CNFs杂化材料的电催化析氢性能(HER)进行研究,研究表明近似皮芯结构的MoS_2/CNFs-10杂化材料的电催化析氢性能最好,初始析氢过电位在220 mV,Tafel斜率为110m V·dec~(-1)。     

CoSOH/Co(OH)_2复合纳米片的制备及其氧析出催化性能

以硝酸钴与硝酸锌为原料,加入尿素和氟化钠在反应釜120℃下均匀生长在碳纸上得到Zn-Co(OH)_2复合前驱体,通过在室温下用5 mol/L NaOH和1 mol/L Na_2S溶液将前驱体刻蚀并部分硫化合成了CoSOH/Co(OH)_2复合材料,考察其在电解水析氧反应(OER)中的催化性能。利用XRD、SEM、TEM、XPS对催化剂的微观结构及物理化学性质进行了表征。结果表明,该方法可以刻蚀Zn原子,留下氧空位并引入掺杂S元素,氧空位和S掺杂对OER反应起到积极促进作用。同时,非晶的CoSOH也有较好的OER活性。CoSOH与Co(OH)_2的协同作用使得材料表现出最优催化效果(过电位η=310 mV,塔菲尔斜率b=90 mV/dec)及长时间的电化学稳定性,具有较高的电催化产氧性能。     

金属掺杂TiO2纳米粒子电化学催化合成氨

通过溶胶-凝胶法制备了三种过渡金属掺杂的TiO_2纳米颗粒(TiO_2-M, M=Cu, Mn, Pd),XRD和XPS等结构表征结果表明掺杂的金属以-O-M-O-的不饱和配位形式存在于TiO_2纳米颗粒表面.在N_2饱和的0.01 mol·L~(-1) K_2SO_4溶液中,-0.55 V(vs. Ag/AgCl)阴极电位下分别测试了三种TiO_2-M颗粒的电催化合成氨性能,其中TiO_2-Pd催化合成氨速率(R_(NH_3))达到1.54×10~(-11) mol·s~(-1)·cm~(-2),但电流效率(FE)只有0.78%;而TiO_2-Cu的R_(NH_3)为9.77×10~(-12) mol·s~(-1)·cm~(-2),而FE达到15.33%.线性扫描伏安测试结果表明三种催化剂的析氢催化活性顺序为TiO_2-Pd TiO_2-Mn TiO_2-Cu,且阴极电位负移导致电催化合成氨FE下降,意味着电催化合成氨的电流效率与催化剂自身的析氢催化活性密切相关.     

高分散超薄二硫化钼/硫、氮共掺碳复合材料的电催化析氢性能（英文）

氢气是一种清洁可再生能源,有望在未来替代化石燃料成为最主要的能源物质.电催化析氢技术是最有效的产氢途径之一.目前,电催化析氢催化剂主要是贵金属铂,由于其昂贵的价格限制了它的大规模应用.所以在不减少催化剂活性的前提下尽量减少贵金属的使用或者寻找替代物质,降低成本是工业化大规模使用析氢反应(HER)催化剂的前提.二硫化钼基催化剂因其价格低廉、资源丰富且具有优异的催化析氢性能而引起研究者的广泛关注.实验和理论研究都证明了二硫化钼的催化性能和其催化活性位点有关.所以,开发一种具有丰富的活性位点、良好的导电性的二硫化钼基催化剂可以获得高的产氢性能和良好的稳定性.因此,对于提高MoS_2的电催化析氢性能的研究主要集中于增加MoS_2暴露活性位点的个数和导电性.然而,二硫化钼层与层之间的相互作用可能导致其发生聚集,较低的导电率都有可能降低它的电催化活性.我们通过水热的方法直接制备出了固体的硫、氮共掺杂的、具有石墨化结构的碳复合材料(SNC).将钼酸钠加入到反应中后,多钼酸盐通过化学交互作用均匀地嵌入、分散到SNC中.经高温处理后,SNC放出S~(2-),多钼酸盐结合S~(2-)生成二硫化钼.SNC有效地防止了二硫化钼聚集成大的颗粒.我们成功地制备出具有较好析氢性能的、高度分散于SNC中的二硫化钼纳米片.通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、元素分析、X射线光电子能谱(XPS)等测试手段对材料进行了表征,通过电催化析氢、电化学阻抗以及稳定性测试等手段研究了其电催化性能.由MoS_2/SNC-900-12h的TEM图片可以看出,二硫化钼纳米片高度分散于碳复合材料中,且层数只有一到几层,暴露出了更多的催化活性位点.拉曼光谱图的D带(1341 cm~(-1))和G带(1584 cm~(-1))体现出了材料具有较好的石墨化结构,提高了材料的导电性.XPS C 1s谱图中存在C–S和C–N键,S 2p谱图中存在C–S–C、C=S和C–SO_x–C键,N 1s谱图中存在吡啶氮和石墨氮,结合元素分析,说明该碳材料确为硫氮共掺杂的碳;Mo谱测试显示出Mo 3_(d5/2)(229.4 eV)和Mo 3_(d3/2)(232.6 eV),证明了二硫化钼成功地嵌入到了碳材料中.电化学性能表征显示MoS_2/SNC-900-12h在H_2SO_4溶液(0.5 mol/L)中展现出较低的起始电位(115 mV)以及低的过电位(237 mV).电化学阻抗测试显示在H_2SO_4溶液(0.5 mol/L)中过电位为-0.2 V(vs.RHE)时Rct只有124W.此外,在-0.3–0 V(vs.RHE)下,经5000圈稳定性测试后性能只有约2.6%(10 m A/cm~2)的衰减,说明MoS_2/SNC-900-12h同样具有优异的电化学稳定性.     

钴铁双金属氧化物多孔纳米棒的制备及其电解水析氧性能

通过简单的钴铁前躯体热分解法制备了系列一维Co_(1-x)Fe_xO_y(0≤x≤1)多孔纳米材料,并在1 mol·L~(-1) KOH溶液中研究了其电解水析氧催化性能。研究发现不同Fe掺杂量对材料的结构与电解水析氧催化性能有较大的影响,其中16%(n/n)Fe掺杂量的Co_(1-x)Fe_xO_y具有最优的析氧催化性能。在10 m A·cm~(-2)电流密度下其析氧过电位为345 mV,塔菲尔斜率为54 mV·dec~(-1),并表现出优异的析氧稳定性能。廉价、高效的Co_(1-x)Fe_xO_y多孔纳米棒材料有望成为优良的析氧催化剂用于电解水制氢。     

ZIF-8基复合材料高效、稳定电催化还原CO2

电催化CO₂还原反应(eCO₂RR)受到催化剂本征活性以及传质的限制,导致材料的催化活性低、反应起始电位高等问题。我们以类沸石锌盐咪唑骨架(ZIF-8)材料为研究对象,探究了不同粒径ZIF-8材料的eCO₂RR性能。优选粒径为50 nm的ZIF-8材料,进一步引入碳纳米管(CNT)作为其导电基底材料,通过原位生长,构建了复合材料ZIF-8-50@CNT的多级孔结构和疏水界面。eCO₂RR实验结果表明,CNT的引入提高了催化剂的导电性,优化后的复合材料有效地降低了反应的起始电位。在-1.1 V(相对可逆氢电极(RHE))电位下,CO部分电流密度为15.6 mA·cm^-2,ZIF-8-50@CNT催化剂的比表面活性提升了3.5倍(相比ZIF-8-50),塔菲尔斜率降低到136 mV·dec^-1。并且产物CO的选择性和稳定性得到了提高,在宽电势窗口-0.9～-1.2 V(vs RHE)内,CO的法拉第效率(FE)保持在80%以上。在10 h稳定性测试中,催化剂活...     

碳球担载二硫化钴纳米复合电催化剂的制备及其析氢性能研究

采用一步水热法,通过引入载体碳球(CSs)和表面活性剂CTAB,将二硫化钴(CoS_2)纳米颗粒均匀负载在CSs表面.相比于单独的CoS_2,改性后CSs担载的CoS_2(CoS_2/A-CSs)展现出了更好的电催化活性.在电解液为0.5mol/L H_2SO_4溶液中,电流密度为10 mA·cm~(-2)条件下,其析氢反应过电位仅为154 mV.经过12 h的稳定性测试,CoS_2/A-CSs析氢反应过电位为180 mV,这表明其仍具有良好的电化学催化析氢反应活性.这种复合电催化剂的优良性能主要归因于CSs的高导电性和其对CoS_2纳米颗粒的均匀分散;此外,CTAB的引入,促使CSs与CoS_2之间结合的更加紧密,进而加快了活性位点间的电子传导.