钴钼和钴铁基磷化物的制备及电解水性能研究

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随着能源消耗和环境污染的加重,开发新型清洁能源成为当下的研究热点。电解水是解决能源和环境危机的一种很有前途的方法,该过程可以产生清洁的氢能源,且二氧化碳排放为零。但组成水分解的析氢反应和析氧反应均需要高效的催化剂驱动。金属有机骨架材料(MOFs)因具有稳定可调控的结构及较多的活性表面,在电催化方向具有较大的开发前景。基于ZIF-67开发的Co基电催化剂,在保留前驱体材料优势的基础上进一步提升了材料的催化性能。本文以ZIF-67为前驱体,通过引入钼和铁元素并磷化的方法提高了Co基材料的催化性能并分析其催化机理。主要研究内容如下:利用水热法在ZIF-67合成过程中引入Mo元素,优化反应时间、反应温度及Co-Mo原子比例,经磷化后负载于泡沫镍(NF)上得到Co-Mo-P/C/NF复合材料。结合SEM、XRD、XPS及电化学测试等方法评估Co-Mo复合材料的电催化析氢性能。研究表明,在酸性和碱性介质中Co-Mo-P/C/NF催化剂析氢过电位及阻抗减小,均出现活化现象。其中在0.5 mol/L的H2SO4溶液中,催化剂经过活化产生的Co单质促进活性氢原子的吸附和结合,使复合材料在10 m A/cm~2的电流密度下析氢过电位为72 m V。而在1 mol/L的KOH溶液中,经活化同时产生的β-Co(OH)2进一步促进水分子裂解,使得活化后的Co-Mo-P/C/NF催化剂在50 m A/cm~2电流密度时,析氢过电位仅为75 m V。同时活化后的Co-Mo-P/C/NF催化剂在酸性介质和碱性介质中,经过恒定电势测试50 h和CV循环10000次后,催化析氢性能均无衰减,表现出优异的稳定性。室温条件下在ZIF-67合成过程中引入Fe元素,通过调控Co-Fe原子比例和2-甲基咪唑浓度等实验参数,经磷化后在泡沫镍的基底上合成具有纳米片状结构的Fe-Co-P/C/NF复合电催化剂。研究表明,纳米片状结构有利于活性位点充分暴露,Fe P和Co P之间的协同作用,使得Fe-Co-P/C/NF催化剂表现出优异电催化全解水性能。其中在1 mol/L的KOH溶液中,电流密度分别为50 m A/cm~2和100 m A/cm~2时,Fe-Co-P/C/NF催化剂的析氧过电位分别为270 m V和282 m V。在20 m A/cm~2的电流密度下,其析氢过电位为185 m V。作为全水解电催化剂,Fe-Co-P/C/NF在析氧和析氢反应中经过恒定电势20h和CV循环1000次测试后,电催化性能均无明显衰减。
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