尖晶石型过渡金属硫化物CuCo2S4与MoS2复合材料的制备及电催化析氢性能

通过简单的三步水热法实现尖晶石型过渡金属硫化物CuCo₂S₄与MoS₂的复合, 以三维多孔泡沫镍(NF)为基底, 制得自支撑催化电极MoS₂@CuCo₂S₄-Ni₃S₂/NF. 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)表征结果表明, MoS₂纳米片层密集均匀地生长在CuCo₂S₄-Ni₃S₂纳米棒表面, 并形成多级核壳结构. 其碱性条件下(1 mol/L KOH)的电催化析氢性能研究结果表明, MoS₂与CuCo₂S₄的复合和特殊形貌的构筑有效提高了电化学活性面积和电子传导效率, 达到10, 100和300 mA/cm²电流密度分别仅需116, 231和282 mV的过电位, 经2000次循环伏安扫描后, 100 mA/cm²电流密度所对应的过电位仅增大6%, 展现出优异的电催化析氢催化活性及较好的稳定性.     

MoS2-石墨烯的制备及其电催化析氢性能的研究

本文利用改进的Hummers方法合成层状的石墨烯,并用原位合成法在石墨烯上负载了颗粒状二硫化钼。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱分析仪(XPS)、粉末X-射线衍射仪(XRD)、比表面及孔隙度分析仪对所合成物质的形貌、结构、比表面积及孔径进行分析;使用电化学工作站测试催化剂的线性循环伏安和Tafel曲线来分析所合成催化剂的电化学析氢性能。结果表明在所有样品中石墨烯/二硫化钼-21.7复合物的电催化性能最好,其在电流密度为-10 mA·cm~(-2)时过电位为-193 mV。     

过渡金属磷化物的制备及电催化析氢性能提升策略

氢能是一种绿色、 高效的二次能源, 在廉价的非贵金属催化剂的辅助下, 电解水制氢以其低成本和高效率受到广泛关注. 过渡金属磷化物因其独特近似球形三角棱柱单元结构能够暴露出更多配位不饱和表面原子, 因此在电解水制氢中表现出优异的催化活性和强耐腐蚀性. 本文综述了过渡金属磷化物的制备方法和在电催化析氢中的应用和性能的改善策略. 最后讨论了过渡金属磷化物催化剂存在的一些亟待解决的问题, 并展望了其未来的发展方向.     

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

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MoS2的电催化析氢性能的研究主要集中于增加MoS2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S2-,多钼酸盐结合S2-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MoS2/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–SOx–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 3d5/2(229.4 eV)和Mo 3d3/2(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MoS2/SNC-900-12h在H2SO4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H2SO4溶液(0.5 mol/L)中过电位为?0.2 V(vs.RHE)时Rct只有124Ω.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 mA/cm2)的衰减,说明MoS2/SNC-900-12h同样具有优异的电化学稳定性.     

电镀法制备Pt/TiO2纳米管电极及其电催化析氢性能

采用阳极氧化法制备得到锐钛矿型二氧化钛(TiO₂)纳米管阵列,在其表面通过电镀法沉积Pt,得到了低铂的Pt/TiO₂纳米管电极(Pt/TiO₂-NTs)。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜对其进行形貌表征后发现,Pt较为均匀地分布于TiO₂纳米管阵列中。进一步的电催化析氢结果表明,Pb/TiO₂-NTs在10 m A·cm^-2时,过电位为0.079 V,塔菲尔斜率为42.7 m V·dec^-1,较Pt/TiO₂致密膜电极(Pt/TiO₂-F)以及商业Pt/C催化剂显示了更为优异的催化活性。同时,在长循环稳定性测试(3 000个周期)中,Pb/TiO₂-NTs相较于上述2种对比电极显示了更为优异的稳定性。     

Ni-W-TiO2复合电极在碱性介质中的析氢电催化性能

具有较高的析氢电催化活性的镍基多元合金材料已广为报道。近年来通过复合电沉积技术在电极中掺入RuO2、ZrO2、WC等非溶性固体微粒制备的复合功能电极材料用于析氢方面的研究已有报道,这些复合电极对析氢反应都有明显的催化作用。但是用电沉积的方法在电极中掺入TiO2制备的复合功能材料的研究还未见报道,本文研究了Ni-W-TiO2复合电极的制备、形貌结构以及在碱性介质中的析氢电催化活性和电化学稳定性。     

氮掺杂碳纤维负载镍钴硒化物的制备及其电催化析氢性能

以静电纺丝制备的纤维为前驱体,通过煅烧、硒化处理等工艺合成了负载双金属硒化物纳米粒子的氮掺杂碳纤维(NCF)材料((Ni,Co)Se2/NCF),并对其进行了一系列相关的表征,研究了其在酸性和碱性条件下的析氢性能.(Ni,Co)Se2纳米粒子被锚定于NCF中,有效地阻止了纳米粒子的聚集,提供了更多的催化活性位点.电催化...     

Co-WC复合电极在碱性介质中的电催化析氢性能

Co-WC复合电极在碱性介质中的电催化析氢性能     

介孔碳化钨纳米片团簇的制备及其电催化析氢性能

采用阳极氧化法与原位还原碳化法相结合,在电击穿条件下可控制备了具有介孔结构的碳化钨纳米片团簇(WC NFs)。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、N₂吸附-脱附测试表征其物相、微观结构和孔径分布。在1 mol·L^-1H₂SO₄溶液中采用线性扫描伏安法、循环伏安法、计时电流法以及交流阻抗谱测试催化剂的电化学性能。结果表明,在650℃下还原碳化所制备的WC NFs具有最佳的电催化析氢性能,在电流密度为10 mA·cm^-2时过电位η₁₀仅为150 mV,Tafel斜率为56 mV·dec^-1,并具有良好的循环稳定性。     

金箔上单层MoS2的控制生长及电催化析氢应用

金属衬底上单层MoS₂的可控批量制备是探索其微观形貌、新奇物理化学特性以及潜在应用的重要前提. 最近, 我们利用低压化学气相沉积的方法, 在多晶金箔上实现了高质量、大面积/大批量、畴区尺寸可调(从几百纳米到几十微米)单层MoS₂的可控制备; 利用低能电子显微/衍射实现了直接生长的单层MoS₂畴区取向和畴区边界的原位识别; 利用金箔上合成的纳米尺寸MoS₂作为电催化析氢反应的催化剂, 实现了高效的析氢效果(塔菲尔斜率约61 mV/dec, 交换电流密度约38.1 μA/cm²). 本文将以这些研究成果为主线, 系统地阐述金箔上单层MoS₂的可控制备和转移、畴区的原位识别以及在电催化析氢反应中的应用, 并对该领域的未来发展趋势和所面临的挑战进行简要的展望.     

优化金属磷化物电催化析氢性能的策略

日益严重的能源危机和环境污染问题使得探索清洁的可再生能源载体及减少对传统化石燃料的过度依赖成为人们面临的一项重要任务.因此,各种可持续能源如太阳能、风能、海洋能和生物质能等得到了广泛研究并取得了一定的进展.然而,这些能源因存在间歇性和不稳定性等缺点阻碍了其实际应用.近年,氢气作为一种能源载体,以其高能量密度和无碳排放的优点引起了人们的广泛关注,被认为是缓解日益严重的污染问题的最有前途的环保能源.对比目前采用的天然气热解和煤炭气化等传统制氢策略,电催化水裂解由于催化效率高,制氢纯度高和不产生温室气体,被认为是高效、环保、可持续的制氢策略.电催化水裂解由两个独立的半反应组成,分别是析氢反应和析氧反应.析氢反应作为水裂解的一个半反应,在降低制氢成本及提高产氢催化效率方面起着关键作用.然而,目前的核心问题之一是要开发高效的析氢电催化剂,以加快反应速度.目前,铂和铂基纳米材料被认为是高效的析氢电催化剂,但是其稀缺性和高成本阻碍了大规模实际应用.金属磷化物由于具有较高的本征活性并且在不同的电解质中都具有良好的电催化析氢性能,被证明是一种优良的析氢电催化剂.此外,与普通催化剂相比,金属磷化电催化剂还具有合成简便、效率高、成本低、省时等优点.本文详细介绍了近年人们在金属磷化物用于电催化析氢研究中取得的进展.首先,介绍了电催化析氢反应机理,金属磷化物的结构及作用,并对其优缺点进行了总结;随后,综述了金属磷化物的合成方法,包括后处理、原位生成和电沉积策略,并对不同方法进行了比较和讨论.此外,从元素掺杂、界面工程、空穴工程、修饰特定载体、构建特定纳米结构、设计双或多金属磷化物和其他发展的新方法等七个方面详细总结了促进金属磷化物电催化活性的多种策略,并进行了对比和讨论.最后,归纳了金属磷化物在电催化析氢应用中存在的问题和面临的挑战,并对未来的研究发展提出了展望.     

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。     

W离子注入Ni-Mo合金电极的析氢性能

本文在镍基上电沉积Ni-Mo合金层,用W^+束注入,得到活性和稳定性极佳的新型析氢电极。     

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.     

Ni-Co/RuO2复合电极的制备及其电催化析氢性能

采用快速凝固结合去合金化的方法制备纳米多孔Ni-Co合金,利用RuO_2对Ni-Co合金进行表面修饰,通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对多孔材料进行物相分析和形貌表征,并通过线性扫描伏安法、多电位阶跃法、交流阻抗法和恒电流电解法测试多孔电极的电催化析氢性能。结果表明,Ni-Co/RuO_2复合电极材料在50 mA·cm~(-2)电流密度下析氢过电位为180 mV,析氢过程由Volmer-Heyrovsky步骤控制,交换电流密度为4.42 mA·cm~(-2),经10 h恒电流电解后电位仅增加20 mV,表现出良好的析氢稳定性。     

碳化钨负载纳米铂催化剂的制备及其析氢催化性能

以喷雾干燥处理的偏钨酸铵为前驱体, 采用CH4/H2为还原碳化气氛, 利用固定床气固反应法制备了具有介孔结构的碳化钨(WC)粉体. 然后通过浸渍法制备了Pt/WC粉末催化剂. 通过XRD和SEM等测试手段对Pt/WC粉末样品进行了表征, 结果表明, Pt颗粒平均直径约为13.5 nm, 且均匀分散在介孔结构WC载体上. 采用循环伏安和线性扫描等方法研究了酸性介质中Pt/WC粉末微电极对电化学析氢过程的电催化行为. 结果表明, 该电极对析氢反应具有很好的电催化活性和化学稳定性. 通过测试和计算, Pt/WC粉末微电极的Tafel方程中的a值为0.292 V, 属于低超电势析氢材料, 析氢交换电流密度为4.42 mA·cm-2, 与铂电极在同一个数量级上, 当超电势为250 mV时, 其析氢反应的活化能为26.20 kJ·mol-1.     

含稀土的镍基合金的析氢电催化行为

用电沉积方法制备的Ni-Ce-P和Ni-La-P合金作阴极测得析氢阴极极化曲线,结果表明,合金电极上析氢速率比Ni电极上约大10倍,析氢电热政移＞200mV,显示出含稀土的镍基合金具有较高的析氢催化活性,根据XPS谱图讨论了析氢的电催化机制。     

Ni-W-WC复合电极在碱性介质中的电催化析氢

氢能源作为高效、洁净和理想的二次能源,已受到世界各国广泛的重视［１］．电解水制氢是实现大规模生产氢的重要手段,为降低电解能耗,最行之有效的办法是降低氢的阴极析出电位,因此开发新型廉价高催化性能的析氢材料具有十分重要的意义．具有高催化析氢活性的单一金属和合金材料已广为报导［２－８］．近二十年来,通过复合电沉积技术将一种或数种不溶性固体微粒渗杂到金属材料中所形成的复合镀层,如Ｎｉ－ＷＣ［９］、Ｎｉ－ＰＴＴＥ［１０］、Ｎｉ－ＲｕＯ_２［１１］、Ｎｉ－ＬａＮｉＯ３［１２］等,这些复合镀层因其高比表面而表…     

Cu/MoS2的熔盐电解法制备及其在碱性条件下析氢反应性能的提高

通过熔盐电解法并掺杂过渡金属Cu制备2种不同纳米结构的Cu/MoS_2。采用涂敷法制备工作电极,通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、能量散射X射线谱(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、选区电子衍射(SAED)以及各种电化学手段验证了其结构和性能。结果表明,纳米片状Cu/MoS_2在碱性溶液(1 mol·L~(-1)KOH)中表现出优异的析氢催化性能:在电流密度为10 mA·cm~(-2)时过电位为199.6 mV,Tafel斜率为59 mV·dec~(-1),双电层电容为26.1 mF·cm~(-2),等效电荷转移电阻为12.4Ω,具有较为良好的电化学耐久性和稳定性。