Ni/P掺杂Mo2C@CFP电催化剂的制备及析氢性能

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氢能作为一种效率高、无污染的能源,被认为是最理想的能源载体。电解水制氢技术因其简单无污染性气体排放的特点被认为是可持续产氢最佳途径之一。传统电解水制氢的电极材料需要使用到大量的贵金属催化剂如Pt等,因其成本太高,难以实现大规模的工业生产。过渡金属碳化钼具有类似于Pt等贵金属的电子结构和催化特性,有望替代Pt等贵金属成为新型的非贵金属析氢催化剂。但是纯Mo2C导电性差且氢释放动力学太慢,活性远低于铂族贵金属催化剂。本论文以熔盐合成法为主要研究方法,通过镍掺杂以及磷镍共掺杂来改善Mo2C的催化性能,在碳纤维纸(CFP)基底合成一系列纳米Mo2C基电催化剂,并研究其电催化析氢性能。主要研究结果如下:(1)以金属镍为掺杂剂,以金属钼粉,炭黑,碳纤维纸为原料,采用熔盐法在Na Cl和KCl熔盐系统中1000℃保温3 h,在碳纤维纸基底上合成Ni-Mo2CCB/CFP催化剂,通过XRD、SEM、TEM、XPS研究了它的物相和显微结构,结果表明在碳纤维表面均匀形成了褶皱状的Mo2C。另外,还测试了它的催化析氢性能,褶皱状的Ni-Mo2CCB/CFP催化剂在酸性条件下具有较好的催化性能,仅需121.4 m V的过电位就能达到10 m A cm-2的电流密度,它的Tafel斜率也仅为116.9m V dec-1。此外,该电极在167 m V的电压下能稳定工作超过10 h。对比其他制备的电极,发现炭黑和Ni的引入不仅能使Mo2C颗粒细化,还都能改善Mo2C/CFP催化剂的析氢性能。(2)通过以硝酸镍和金属镍分别为掺杂剂,以三氧化钼、炭黑和碳纤维纸为原料,采用熔盐法,在碳纤维纸基底上制备了不同的自支撑催化剂,通过XRD、SEM、TEM、XPS研究了它们的物相和显微结构,结果表明,当以金属镍掺杂时,产物Mo2C大都为微米级的颗粒,而当以硝酸镍进行掺杂时,产物大多为纳米状。在硝酸镍溶度为3 M时,制备的Mo2C-3M/CFP催化剂中具有单晶Ni和多晶Mo2C,且产物为疏松多孔的纳米花状结构,纳米花结构具有较大的比表面积,能为电催化析氢反应提供足够多的催化活性位点,并且该结构有利于电荷的运输。所制备的Mo2C-3M/CFP纳米花催化剂,在酸性条件下表现出极佳的电催化析氢性能,当电流密度达到10 m A cm-2时,所需的过电位仅为55.7 m V,且Tafel斜率27.4 m V dec-1媲美商业20 wt%Pt/C电催化剂(25.8 m V dec-1)。除此之外Mo2C-3M/CFP纳米催化剂还表现出极佳的稳定性,在35 h的耐久性测试中几乎无衰弱。同时,理论计算结果表明Ni掺杂进入Mo2C后,会使得Mo费米能级附近的d轨道电子增加,且碳化钼的d轨道中心下移。d轨道中心的下移会导致吸附的氢(Hads)更容易从催化剂表面解吸,从而提高了Ni掺杂的Mo2C催化剂的固有催化活性。(3)通过在已获得的纳米花状Mo2C-3M/CFP催化剂的基础上,引入磷掺杂。采用次亚磷酸钠对Mo2C-3M/CFP催化剂进行磷化处理,制备P-Mo2C-3M催化剂,该催化剂在酸性和碱性条件下都表现出比Mo2C-3M催化剂更优异的析氢性能。在酸性和碱性条件下η10的过电位分别为48 m V和140.5 m V,且Tafel斜率分别为33.3 m V dec-1和50.7 m V dec-1。另外还分别测试了该催化剂在酸性和碱性条件的稳定性,发现在酸性条件下,P-Mo2C-3M催化剂经30 h的耐久性测试后,活性下降了40%左右,而在碱性条件下,经20 h的耐久性测试后,催化剂材料的性能几乎未改变。
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