【摘 要】
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21世纪以来,环境与发展成为现在的全球议题,各个发达国家都提出碳减排、碳中和的口号,我国作为最大的发展中国家也提出了2030年“碳达峰”及2060年“碳中和”的战略目标。因此,发展大规模的可持续能源系统是人类目前面临的主要挑战之一,同时这也是最大限度地保护我们赖以生存的家园不受破坏的有力举措。将能源从化石燃料转向绿色氢能源,是解决化石燃料短缺问题的一个有前途的替代途径。作为一种绿色制备氢能源的方法
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21世纪以来,环境与发展成为现在的全球议题,各个发达国家都提出碳减排、碳中和的口号,我国作为最大的发展中国家也提出了2030年“碳达峰”及2060年“碳中和”的战略目标。因此,发展大规模的可持续能源系统是人类目前面临的主要挑战之一,同时这也是最大限度地保护我们赖以生存的家园不受破坏的有力举措。将能源从化石燃料转向绿色氢能源,是解决化石燃料短缺问题的一个有前途的替代途径。作为一种绿色制备氢能源的方法,电解水开始为科研人员所探索,包括析氢和析氧半反应。目前,其商用贵催化剂的高成本和资源的稀缺性一直是其发展的重要问题。Co P作为一种常见的过渡金属磷化物,其类Pt的电子结构一直为人们所钟爱,因此Co P在电催化领域中备受关注。Ce基材料作为一种稀土材料易与其他材料复合构成异质结构,从而改善电子环境,是一种良好的助催化剂。本文设计了两种Co P/Ce基化合物复合结构,通过调整物相与设计p-n结改善电子环境,从而促进电化学催化能力,主要内容如下:(1)Co P/Ce PO4异质结构的制备及其OER催化性质探究构建具有丰富界面的Co P/Ce PO4异质结构材料,作为析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)电催化剂。首先,将ZIF-67和Ce PO4纳米线进行复合,而后将复合前体通过碳化-磷化转化为异质结构的Co P/Ce PO4材料,通过控制碳化温度调控Ce PO4的物相。在Co P和Ce PO4材料之间存在强耦合作用的异质界面,改善了Co P的电子结构,提高了活性位点的本征活性。同时,富含缺陷的碳涂层和界面的相互作用促进电荷传输。因此,异质结构Co P/Ce PO4的OER的催化性能得到提升。最优的Co P/Ce PO4-900在OER催化中表现为过电位为318 m V下可驱动10 m A cm-2的电流密度。(2)结晶-非晶Co P/Ce Ox p-n异质结材料的制备及其HER催化性能探究本部分工作设计了一种具有p-n结的结晶-非晶的Co P/Ce Ox异质材料,作为析氢反应(hydrogen evolution reaction,HER)的电催化剂。首先通过还原-水解过程获得Co(OH)2/Ce Ox前驱体,随后进行磷化处理,得到结晶-非晶p-n异质结构Co P/Ce Ox。通过调整Co与Ce的原子比,得到活性最高的催化剂Co P/Ce Ox-20:1。在Co P/Ce Ox-20:1p-n结中存在着强的内建电场(1.38 V),调控电子环境,提高活性位点的本征活性。因此,在1 M KOH中达到10 m A cm-2的电流密度所需的过电位仅为118 m V,Tafel斜率为56.83 m V dec-1。本工作为开发高性能的电化学催化剂提供了一个新的结构设计思路。
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