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.     

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.     

纳米二硫化钼的掺杂及催化电解水产氢的研究进展

电催化水分解制氢是可以形成闭环的生产过程, 起始原料与副产物均为水、 过程清洁无污染, 是极具希望的产氢策略. 目前制约其发展的瓶颈之一是价格昂贵的Pt基贵金属催化剂. 为推动电催化分解水制氢的普及, 亟待开发低成本非贵金属催化剂. 在众多备选非贵金属催化材料中, 纳米层状结构二硫化钼(MoS₂)因催化效果可期、 价格低而获得了广泛关注. 然而, 通常条件下易于获得的层状结构2H相MoS₂大面积的基面部分显示惰性, 仅在片层边缘处存在少量活性位点, 且导电性较差, 因而尚不能替代Pt基催化剂, 而如何增加其活性位点数量和提高其导电性成为亟待解决的问题; 另一方面, 1T相MoS₂虽然活性高、 导电性好, 但却存在制备困难及稳定性差的问题. 鉴于此, 研究者通过对纳米MoS₂进行掺杂改性实现了其活性与稳定性的有效提升. 本文对非贵金属纳米MoS₂催化剂掺杂改性的方法、 机理及其电催化水解制氢性能的相关研究进行了总结与讨论. 作为典型的非贵金属电解水析氢催化剂, MoS₂具有巨大发展潜力, 本文能够对相关非贵金属催化剂的研发提供有益的参考.     

Ni(OH)2/Ni/g-C3N4复合材料:一种高效的析氢电催化剂

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/g-C3N4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)...     

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.     

氮掺杂碳材料负载碳化钼的合成及析氢性能研究

过渡金属碳化物被认为是一类可替代贵金属的高效电催化析~*氢反应催化剂,提升其催化性能和稳定性能获得了广泛关注和研究。本文以钼酸铵和二氰二胺为前驱体,均匀混合后利用一步高温退火法制备了氮掺杂碳材料负载碳化钼(Mo_2C-NC)的复合材料。通过透射电子显微镜,X射线粉末衍射以及X射线光电子能谱等测试对该催化剂形貌,组成及结构进行表征。电化学测试结果表明,Mo_2C-CN复合催化剂表现了优异的电催化析氢性能:当电流密度为10 mA cm~(-2)时,在酸性和碱性体系中,Mo_2C-CN催化剂的过电势分别为和130和257 mV s~(-1),并且均展示出了优异的稳定性能。     

二硫化钼析氢电催化剂

电解水与一次可再生能源耦合,可同时提供洁净制氢方式与先进的能源转化技术,有望在未来清洁能源经济中扮演重要角色,而实现这一美好愿景的关键在于研发高活性、低成本的析氢/析氧电催化材料。二硫化钼(MoS₂)是颇具代表性的非贵金属析氢电催化材料,纵观其研究历程,先导性理论预测与材料设计、先进制备与表征技术的应用均在改性研究中发挥了至关重要的作用,这也从一个侧面折射出当代电催化剂的研究模式与发展趋势。本文按照重要发现与进展的时间顺序,梳理了MoS₂析氢电催化剂的发展历程,重点论述了增多边缘活性位、提高导电性、构筑基面活性位等改性策略的实施方法、效果与机理,最后从全领域总结了MoS₂析氢电催化剂的研究启示并展望其未来发展趋势。     

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。     

C_3N_4-Ti_4O_7-MoS_2复合催化剂界面效应增强电催化析氢性能（英文）

电催化水裂解是目前最有前景的制氢技术之一。二硫化钼(MoS_2)作为最有前途的非贵金属电解水制氢催化剂之一,受有限的催化位点和弱电导率的困扰,迫切地需要被进一步优化。本文采用简单的水热方法构建了C_3N_4-Ti_4O_7-MoS_2异质催化剂,利用活性组分间的界面相互作用,实现了催化剂活性位点的高度暴露、表面电荷的再分布、氢吸附动力学和稳定性的优化,改进了MoS2的电催化析氢性能。结果表明,界面效应赋予C_3N_4-Ti_4O_7-MoS_2催化剂优异的电催化活性,即300 mV的过电位下获得50 mA/cm~2的电流密度以及较低的Tafel斜率(54 mV/dec),长达33 h的析氢反应后仍保持高的催化活性,其电催化析氢性能优于纯MoS_2。结果表明,界面效应作为一种合理改进MoS_2基电催化剂的策略,对开发新型高效制氢电催化剂的发展至关重要。     

红毛丹状磷化钴@钼钴氧空心微米小球用于碱性电催化析氢（英文）

氢气因其能量密度高、零排放和可再生的特点被广泛认为是最有前景的能源.电解水是一种产生高纯氢气的有效途径.目前,高性能的促进水电解的催化剂主要是贵金属材料,例如贵金属铂.然而,高成本大大阻碍了贵金属材料在电催化水分解中的广泛应用.因此,我们致力于研究具有高活性的非贵金属催化剂.因为电催化水分解析氢反应更容易发生在质子浓度高的条件下,所以研究碱性条件下催化析氢比研究酸性条件下催化析氢更具挑战性.在工业应用中,酸性电解质溶液对仪器设备的腐蚀性比碱性溶液更大,因此研究应用在碱性溶液中的析氢催化剂更有发展前景.过渡金属磷化物被广泛地研究作为高性能析氢电催化剂,然而过渡金属磷化物作为析氢催化剂的稳定性通常不是很好.我们通过钼元素的引入,提高过渡金属磷化物作为析氢催化剂的稳定性.电化学催化效率同样受到材料形貌和导电性的影响.大的比表面积有利于暴露更多的活性位点,使活性位点与电解质溶液的接触更加充分,有利于催化剂和溶液之间的传质.据报道,金属磷化物具有良好的导电性是由于磷化物中存在金属-金属键.所以合成具有大比表面积形貌的过渡金属磷化物材料能够满足析氢电催化剂对比表面积和导电性的两个需求.界面效应是调节催化剂性能的一个有效方法.析氢催化剂常常存在吸附质子能力过强或过弱、稳定性不好等问题.这些问题可以通过界面效应来解决.本文通过形成磷化估和钼钴氧的界面来调节改善磷化钴表面原来的电子密度,以达到理想的氢吸附自由能;同时此界面效应还能起到稳定催化剂性能的作用.本文首先采用水热法合成了红毛丹状钼钴氧空心微米小球前驱体.在钼酸根离子的引导下,利用奥斯特瓦尔德熟化原理一步实现了红毛丹状空心结构.前驱体再以次亚磷酸钠为磷源进行气相磷化,得到产物红毛丹状磷化钴@钼钴氧空心微米小球.通过扫描电镜和透射电镜对其红毛丹状空心结构进行了表征.利用X射线衍射和X射线光电子能谱等手段表征了材料的物相组成和价态分布.电化学测试均使用电化学工作站完成.该材料在碱性电解质溶液中展现了极好的电化学催化析氢性能,在电流密度为10 mA cm^-2时对应的析氢过电位仅为62 mV.在1 MKOH溶液中10 mA cm^-2电流密度下测试55 h,过电位仅增大约17 mV,显示了非常强的碱性析氢稳定性.得益于磷化钴和钼钴氧之间的界面效应,以及特殊的三维空心结构,红毛丹状磷化钴@钼钴氧空心微米小球表现出优异的析氢催化性能和稳定性.     

金属磷化物(NiCo)_2P/NF自支撑电极制备及其电催化研究

利用廉价的过渡金属作为催化剂催化水分解产氢和产氧是解决能源危机的重要途径.我们制备了一种中空过渡金属磷化物自支撑电极材料(NiCo)_2P/NF,该电极材料采用生长在泡沫镍上的类普鲁士蓝Ni_3[Co(CN)_6]_2作为前体,低温磷化后获得.该电极材料显示出高效的电催化水分解产氢和产氧能力,在1 mol/L氢氧化钾溶液中,达到10 mA/cm~2时,产氢和产氧过电位分别为159和210 mV,同时,将其组装成全解水装置后,仅需1.61 V电压即可达到10 mA/cm~2时,其全解水性能超过贵金属Pt/C-IrO_2(1.64 V),这使得该自支撑双金属磷化物电极有望替代贵金属用作电催化全解水催化剂.     

MoS2 nanoparticles grown on graphene: an advanced catalyst for the hydrogen evolution reaction

Advanced materials for electrocatalytic and photoelectrochemical water splitting are central to the area of renewable energy. In this work, we developed a selective solvothermal synthesis of MoS(2) nanoparticles on reduced graphene oxide (RGO) sheets suspended in solution. The resulting MoS(2)/RGO hybrid material possessed nanoscopic few-layer MoS(2) structures with an abundance of exposed edges stacked onto graphene, in strong contrast to large aggregated MoS(2) particles grown freely in solution without GO. The MoS(2)/RGO hybrid exhibited superior electrocatalytic activity in the hydrogen evolution reaction (HER) relative to other MoS(2) catalysts. A Tafel slope of ～41 mV/decade was measured for MoS(2) catalysts in the HER for the first time; this exceeds by far the activity of previous MoS(2) catalysts and results from the abundance of catalytic edge sites on the MoS(2) nanoparticles and the excellent electrical coupling to the underlying graphene network. The ～41 mV/decade Tafel slope suggested the Volmer-Heyrovsky mechanism for the MoS(2)-catalyzed HER, with electrochemical desorption of hydrogen as the rate-limiting step.     

金属性二维过渡金属硫化物的溶剂热合成及电催化析氢性能

采用溶剂热法制备了多种二维过渡金属硫化物(TMDCs), 在合成过程中通过调控反应前驱体的滴加速率来控制所得TMDCs的形貌和结构. 然后采用高温热处理来提高TMDCs的结晶性, 从而提升了其电催化活性. 在酸性电解液中进行电催化析氢性能测试. 结果表明, “花状”结构的金属性二维二硫化铌(NbS₂)具有最佳的催化活性和稳定性, 在电流密度为10 mA/cm²时, 其过电位仅为146 mV, 持续工作24 h后电流密度几乎不衰减. 研究发现, 可充分暴露面内活性位点的“花状”结构以及高温处理后材料导电性的提高是二维NbS₂具有优异电催化性能的主要因素.     

钴基类沸石咪唑酯框架材料衍生的析氧反应活性催化剂（英文）

析氧反应(OER)在能量转换和储存技术中扮演着重要角色,例如在水分解和金属空气电池中,电催化剂的发展是主要任务.本文采用钴基的类沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)作为前驱体,在氩气保护气氛下,成功制备了氮掺杂钴镍磷多孔碳多面体电催化剂(CoNiP/NC).首先,采用ZIF-67作为前驱体,将ZIF-67和六水合硝酸镍按照一定比例在乙醇溶液中搅拌30 min,达到掺杂镍的目的,然后将其在不同温度下煅烧,得到的样品在300 oC氩气保护气氛下磷化,得到最终产物.所有电催化剂均通过控制碳化和磷化作用温度获得.通过对样品ZIF-67Ni进行EDS分析,证明镍成功负载到ZIF-67上,XPS结果也证明了这一点.由扫描电镜图可以看出,前驱体ZIF-67在负载Ni之后,样品表面形貌发生明显变化,表面变得粗糙,有明显的条文.磷化后样品的XRD结果说明磷化方法是成功的,同时XPS结果表明样品中有P元素存在.从扫描电镜图片可以明显看出,样品在煅烧之后表面形貌发生明显变化,由棱角明显变为表面粗糙,但是并未发生明显的团聚现象.XPS显示,样品CoNiP/NC700(700指煅烧温度(oC))中存在钴、镍、磷、碳、氮、氧这六种元素,另外还分析了其高分辨图.结果显示,电催化剂CoNiP/NC700表现出优越的电催化效率,在碱性溶液的电流密度10 mA/cm~2条件下,其开路电压约为220 mV,过电位约为300 mV.掺杂镍之后的样品性能比煅烧ZIF-67的样品好,说明镍对于提高析氧反应效率有益;同样,磷化之后样品的OER性能也有所提高.相比较而言,对于磷化之后的样品,煅烧温度是700℃时,OER催化效率最好.磷化杂化材料优越的电催化活性是由于其强的电子耦合相互作用而产生的协同效应,在镍、磷、碳等方面具有较强的协同效应.相互联系的非定形碳不仅固定了活性碳化合物以避免聚集,而且还为电子转移提供了传导通道.对样品CoNiP/NC700进行了稳定性测试,结果表明其稳定性较好,在循环10 h之后,活性仅下降了4%.这一研究表明,该复合电催化剂可能是电催化氧化反应的一个很有前景的候选催化剂.     

原位合成氧化镍硼/石墨炔杂化材料用于提高光/电催化产氢性能

当今世界面临严峻的能源紧缺和环境污染问题,发展高效无污染的清洁能源替代传统化石能源成为近几十年科研工作者的研究热点.其中,氢能由于具有高燃烧值和产物无污染等优点成为理想的替代能源.光/电催化水分解产生氢气是最有效的制氢方法之一.目前,高活性的产氢催化剂仍以贵金属为主,但贵金属价格高昂和稀缺性等限制了其大规模应用,因此,开发和设计廉价、高效的非贵金属产氢催化剂变得尤为重要.为了提高非贵金属催化剂的催化活性,基于非贵金属的复合材料的构建被广泛研究.例如,通过非贵金属和碳材料的复合,能够提高比表面积和电子传输速率,优化活性位点的电子结构,从而提高催化活性.石墨炔(GDY)作为一种新兴碳材料,由sp²-和sp-杂化碳共同组成.由于GDY具有高度π共轭结构,大的比表面积和独特的双炔键,可作为载体与非贵金属离子相互作用形成复合材料,制备高效产氢催化剂.基于此,本文在室温下原位合成了强耦合相互作用的氧化镍硼/石墨炔(NiBi/GDY)催化剂,并将其应用于光/电催化产氢反应.在光催化产氢反应中,采用曙红为光敏剂,三乙醇胺为牺牲剂,可见光下NiBi/GDY的光催化产氢速率可达4.54 mmol g^-1h^-1,产氢速率分别是氧化镍硼/石墨烯(NiBi/graphene)和NiBi的2.9倍和4.5倍.此外,NiBi/GDY在1.0 M KOH溶液中也表现出良好电催化产氢性能,电流密度为400 mA/cm²时其过电位为478.0 mV,低于商业铂碳(505.3 mV@400 mA/cm2).NiBi/GDY在光/电催化产氢实验中表现出的较好催化性能可归因于NiBi和GDY之间强耦合相互作用对NiBi电子结构的优化.上述研究结果表明,石墨炔可作为理想载体制备高效的光/电催化剂,同时本文为设计高效稳定的非贵金属产氢催化剂提供了一定的借鉴意义.     

退火处理对新型无镁Y0.7La0.3Ni3.25Al0.1Mn0.15储氢合金结构和电化学性能的影响

通过电弧熔炼制备了无镁La-Y-Ni系A₂B₇型Y_0.7La_0.3Ni_3.25Al_0.1Mn_0.15合金, 并在高纯0.2 MPa Ar气氛下分别对合金进行850~1050 ℃真空24 h退火热处理. 通过X射线衍射(XRD)、 中子衍射(ND)、 扫描电子显微镜/能量分散谱(SEM/EDS)和电化学测试方法研究了退火温度对合金结构和性能的影响. 结构分析表明, 铸态合金由CaCu₅, Ce₅Co₁₉, Gd₂Co₇, Ce₂Ni₇多相构成, 随着退火温度升高, CaCu₅, Ce₅Co₁₉, Gd₂Co₇相逐步减少直至消失, Ce₂Ni₇主相相丰度逐步增加. 900~950 ℃退火时, 合金为单相Ce₂Ni₇结构. 退火温度继续升高, 合金中出现少量PuNi₃相. 合金电极的最大放电容量随着退火温度的升高先增加后降低. 从铸态的307.6 mA·h/g增加到900 ℃退火时的最大值393.1 mA·h/g, 后又降到1050 ℃退火时的366.4 mA·h/g. 合金电极的电化学循环稳定性随退火温度的升高而升高, 循环100次后电化学容量保持率(S₁₀₀)从铸态的66%上升到1050 ℃退火后的88.5%, 900~950 ℃退火时, 合金电极具有较好的综合电化学性能.     

Controlled Synthesis of Ni-Doped MoS2 Hybrid Electrode for Synergistically Enhanced Water-Splitting Process

The development of high-efficiency, low-cost, and earth-abundant electrocatalysts for overall water splitting remains a challenge. In this work, Ni-modified MoS₂ hybrid catalysts are grown on carbon cloth (Ni-Mo-S@CC) through a one-step hydrothermal treatment. The optimized Ni-Mo-S@CC catalyst shows excellent hydrogen evolution reaction (HER) activity with a low overpotential of 168 mV at a current density of 10 mA cm⁻² in 1.0 m KOH, which is lower than those of Ni-Mo-S@CC (1:1), Ni-Mo-S@CC (3:1), and pure MoS₂. Significantly, the Ni-Mo-S@CC hybrid catalyst also displays outstanding oxygen evolution reaction (OER) activity with a low overpotential of 320 mV at a current density of 10 mA cm⁻², and remarkable long-term stability for 30 h at a constant current density of 10 mA cm⁻². Experimental results and theoretical analysis based on density functional theory demonstrate that the excellent electrocatalytic performance can be attributed mainly to the remarkable conductivity, abundant active sites, and synergistic effect of the Ni-doped MoS₂. This work sheds light on a unique strategy for the design of high-performance and stable electrocatalysts for water-splitting electrolyzers.     

Highly efficient Fe_xNi_(1-x)O_y/CP electrode prepared via simple soaking and heating treatments for electrocatalytic water oxidation

The oxygen evolution reaction(OER) is a key step in the overall water splitting process. Numerous electrocatalysts have been developed to lower the overpotential and accelerate the kinetics of the OER. In this work, a simple soaking and heating treatment was used to form a stable and efficient Fe_xNi_(1-x)O_y/CP electrode. The electrode combined nickel and iron oxides on a commercial carbon paper were used for electrocatalytic water oxidation. The best Fe_xNi_(1-x)O_y/CP electrode(Ni/Fe = 15/1) displayed a current density of 10 mA/cm~2 at a low overpotential of 290 mV in 0.1 M KOH solution with a Tafel slope of 52 mV/dec.A higher current density of ~50 mA/cm~2 at the same overpotential and a lower Tafel slope of 43 mV/dec was obtained for this electrode in 1.0 M KOH solution. Excellent durability of the Fe_xNi_(1-x)O_y/CP electrode in 1.0 M KOH solution was confirmed under a high current density of 136 mA/cm~2 at an overpotential of 340 mV.     

CoP/Co_2P/C纳米材料用于全pH值电催化析氢

在氮气下一步退火含有植酸和钴的前驱体,合成了一种新型的CoP/Co2P/C复合纳米材料作为电催化剂,该催化剂在全pH值范围下表现出优异的电催化析氢活性和稳定性.在0.5mol/L的硫酸中,电流密度为10mA/cm~2时,过电位为135mV.在1mol/L KOH溶液中,CoP/Co_2P/C催化剂需要141 mV的过电位才能使电流密度达到10 mA/cm~2,在0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液中,需要155mV的过电位才能使电流密度达到10mA/cm~2.这种优异的析氢活性主要归因于CoP/Co_2P纳米粒子和C层之间的协同作用.     

以CaCl2为模板合成的高活性和高稳定性铁、氮、硫共掺杂多子孔碳氧还原电催化剂

燃料电池是一种可将化学能通过电催化反应直接转化成电能的装置,具有能量密度高和清洁无污染等优点.燃料电池阴极氧还原反应(ORR)的动力学较迟缓,是电池能量效率损失的主要原因.目前ORR催化活性最高的是铂基催化剂,但由于贵金属铂价格昂贵,储量稀少,且对燃料小分子渗透的抗性较差,严重制约了燃料电池的大规模应用.因此,高性能、低成本的非贵金属催化剂成为燃料电池领域的研究热点.本文选用含氮量高达45％的三聚氰胺-甲醛树脂为碳源和氮源,Fe(SCN)3为铁源和硫源,以CaCl2为模板,在高温和铁的催化作用下将树脂碳化,经酸洗和二次热处理工艺,制备出铁、氮、硫共掺杂的多孔碳(FeNS-PC).干燥后的CaCl2颗粒可防止树脂在高温下交联形成块状碳颗粒,同时起到造孔模板的作用.CaCl2颗粒在温和条件下即可除去,无需强腐蚀性条件,因此不会对催化活性中心造成破坏.在Fe/N/C催化剂中掺杂S可进一步提高催化活性,不添加碳载体可避免低活性的碳载体降低质量活性,多孔结构可促进传质,充分利用活性位点.我们优化了热处理温度,并对催化剂的结构、组分及催化性能等进行了表征分析.结果表明,热处理温度为900℃时,可将树脂完全转化成多孔碳,并获得较高的杂原子掺杂量,可达到最优活性.CaCl2为模板剂可避免使用强腐蚀性试剂去除模板,有利于保留活性位,并得到多孔结构.FeNS-PC-900的比表面积可达775 m2/g.得益于原位掺杂的合成工艺,各掺杂元素在多孔碳表面均匀分布.在酸性介质中,FeNS-PC-900的半波电位可达到0.811V,仅比商业Pt/C催化剂低78 mV;在0.8V电位下的质量活性为10.2 A/g,表现出优异的催化活性.经过10000圈加速衰减测试后,其半波电位仅下降了20 mV,在0.75V电位下持续放电10000s后,其ORR电流仍保持初始电流的84.4％,具有比Pt/C更加优异的稳定性.以FeNS-PC-900为阴极催化剂的质子交换膜燃料电池的最大功率密度可达到0.49 W/cm2,并在0.6V电压下持续放电10h后,其电流仍可保持初始电流的65％,表现出良好的应用潜力.FeNS-PC-900具有高掺杂含量、高比表面积和多孔结构,并且杂原子在催化剂表面均匀分散,在半电池和燃料电池测试中都表现出优异的催化活性和稳定性,表明其是一种非常有潜力应用于燃料电池的非贵金属氧还原催化剂.