二维过渡金属化合物-介孔碳复合材料制备及其电催化性能研究

【摘要】：电解水制氢、燃料电池、可充电金属-空气电池等新型电化学能量存储与转化技术中都涉及氧电极的反应,如氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER),受限于反应过程的动力学因素,常常出现过电位大、循环稳定性差等问题,影响能量转化效率。目前普遍使用的氧电极催化材料多以贵金属为原料,成本较高,且催化性能单一,不能同时满足充放电需求,成为电化学储能设备发展的瓶颈。介孔碳的生产成本低,其介孔结构可以促进化学反应的传质过程,碳网格稳定性强,电子结构可以通过多种元素掺杂调控,具有成为催化剂的潜力。过渡金属硒化物、磷硫化合物等层状晶体具有活跃的3d电子,常具有较高的氧化还原活性,特别是在剥离成二维结构后比表面积增大,面内电子传输便利,暴露出丰富的边缘和活性表面。本文采用液相剥离的方法制得过渡金属硒化物、磷硫化合物的二维纳米片并将其与介孔碳复合得到新型氧电极催化剂。二维纳米片与碳基底的协同效应促进了电子的传输,产生了丰富的活性位点,促进了催化反应中间产物的吸附、脱附过程,从而增强了介孔碳的双效催化性能,介孔碳的支撑与保护避免了二维纳米片的破坏或团聚,维持了催化作用的稳定性。从硒化物系列材料中选出的CoSe@NMC在经历5000圈CV循环后,仍具有优秀的起峰电位(1.52V,OER)和半波电位(0.90V,ORR)。过渡金属磷硫化合物中的NiPS3@NMC展现出更高的催化活性(OER起峰电位1.48 V,ORR半波电位0.90 V),证明了过渡金属化合物二维纳米片与介孔碳复合后的卓越双效催化特性,为电极材料催化材料的设计提供了新的思路。