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Cu_3P基纳米复合材料制备及其电解水析氢性能研究

代冬梅  
【摘要】:随着全球一次性能源消耗率持续增多,化石燃料的过度使用加剧了空气污染和全球变暖,寻求清洁、廉价和可持续的燃料是一项重大的全球挑战。众所周知,氢能是一种零碳排放能源,电解水析氢技术是一个有效、直接的获得氢气的方法。对于电化学水分解来说,迫切需要开发高效、储量丰富的非贵金属析氢反应电催化剂。自支撑过渡双金属磷化物具有优异的催化活性和稳定性,其催化活性和稳定性在许多领域都有着广泛的应用前景,有希望变成贵金属铂系催化剂的代替品。本文主要介绍以Cu_3P为研究对象分别复合活性材料Fe(PO_3)_2和Ni_2P来进一步提高电解水析氢的性能,具体研究内容如下:1.首先通过常温浸泡的方法在铜网上原位生长氢氧化铜纳米线,接着利用水热法得到FeOOH@CuO纳米管,最终通过低温磷化得到泡沫铜自支撑三维Fe(PO_3)_2@Cu_3P异质结构纳米管阵列。创新之处在于将原来的单一纳米线通过构筑磷酸铁活性材料变成纳米管来增加活性位点,使两种催化剂通过相互协同作用达到提高催化性能的目的。通过改变FeCl3浓度进一步优化其电催化析氢性能,最优浓度的Fe(PO_3)_2@Cu_3P在电流密度10 mA cm-2处仅仅需要过电位为108 mV和低的塔菲尔斜率为84 mV dec-1。此外,因催化剂与铜网的紧密接触,Fe(PO_3)_2@Cu_3P拥有良好的稳定性。此研究在Cu_3P基纳米复合材料用于高效电催化剂方向具有重要意义。2.选铜网上原位生长的氢氧化铜纳米线为基底,通过一步水热和低温磷化得泡沫铜自支撑的三维Ni_2P-Cu_3P层状纳米棒,原来光滑的纳米线变成片状纳米棒,增大了催化剂与电解液的接触面积,提供更多的反应活性位点。在碱性介质中,由于Ni_2P和Cu_3P协同作用,Ni_2P-Cu_3P/CF催化剂表现出了优异的催化性能,在电流密度为10 m A cm~(-2)和100 m A cm~(-2)处,仅需要过电位110 mV和200 mV。这种催化剂显示出长期催化活性即高的电化学稳定性。简单方法制备的Ni_2P-Cu_3P为探究自支撑过渡金属磷化物开辟了新的路径,在电催化分解水领域中有着非常广泛的应用前景。


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