随着社会的高速发展,能源危机和环境污染问题已经成为当代社会可持续发展的障碍。由于清洁性、能量密度高和可再生等特性,氢能被认为是克服人类对化石燃料依赖的一种有前途的替代品。电解水制氢技术由于其操作工艺简便、易于规模化和产氢纯度高等优点而被认为是将电能转化为化学能的有效、环保的方法。开发高效、稳定、价格低廉、过电位低的非贵金属催化剂是当前推动电解水制氢技术发展的关键。本论文采用水热或溶剂热法制备了纳米银耳状Bi2S3/MoS2、纳米钟乳石状SnS2/CoS1.097/GO、CeO2改性的纳米珊瑚状NiSe2以及Sm2O3改性的层岩状MoS2催化剂,并通过一系列物理和电化学方法对所制备催化剂的形貌、组成、结构及其在碱性条件下的析氢性能进行了表征。主要研究内容如下:（1）以Bi（NO3）3·5H2O和硫代乙酰胺为原材料,第一步水热制备了Bi2S3纳米棒;再以所制备的Bi2S3以及Na2MoO4·2H2O和硫代乙酰胺为原材料,通过调节第二步中3种原材料的用量,从而调节终产物中Bi2S3和MoS2的理论质量比,成功制备了一系列具有不同Bi2S3和MoS2质量比的纳米银耳状催化剂。结果表明,Bi2S3/MoS2催化剂的析氢性能优于Bi2S3和MoS2。当Bi2S3和MoS2理论质量比为5:5时,所制备的BMS-5催化剂过电位最低,当电流密度为10 mA cm-2时,BMS-5的过电位仅为124 mV。在400 mV的过电位下,BMS-5的电流密度高达105 mA cm-2,而Bi2S3和MoS2的电流密度分别仅为13和34 mA cm-2。此外,BMS-5催化剂在24 h的稳定性测试前后的极化曲线近乎重合,呈现出了良好的的析氢稳定性。（2）基于氧化石墨烯良好的导电性和表面丰富的官能团,采用溶剂热法在Sn4+和Co2+摩尔比不同的条件下,制备了一系列纳米钟乳石状SnS2/CoS1.097/GO复合催化剂。结果表明,当Sn4+和Co2+摩尔比为2:8时,所制备SCS-2/GO催化剂体现出了优异的催化活性,电流密度为10 mA cm-2时对应的过电位仅166 mV,而SnS2、CoS1.097、SCS-0.5/GO、SCS-1/GO和SCS-4的析氢过电位分别为309、277、236、229和263 mV。在400 mV过电位下,SCS-2/GO的电流密度高达60 mA cm-2,而SnS2、CoS1.097、SCS-0.5/GO、SCS-1/GO和SCS-4/GO的电流密度分别仅为21、29、46、51和33 mA cm-2。此外,在24 h稳定性测试中SCS-2/GO也体现出优异的催化活性。（3）基于Ce特殊的4f、5d电子组态和NiSe2固有的催化活性,采用水热法制备了一系列不同摩尔量的CeO2改性的纳米珊瑚状NiSe2催化剂。结果表明,当Ce3+在原材料中的理论摩尔百分含量为5%时,所制备的CNS-2催化剂具有最低的过电位。达到10 mA cm-2的电流密度所需过电位仅130 mV,而NiSe2、CSN-1和CNS-3的过电位分别为230、165和143 mV。在更大的电流密度50 mA cm-2时,CNS-2的过电位仅为242 mV,而NiSe2、CNS-1和CNS-3的过电位高达427、330和278 mV。此外,在24 h的稳定性测试前后CNS-2催化剂的极化曲线几乎一致,表明其具有良好的电化学稳定性。（4）基于Sm特殊的外围电子组态,通过水热法制备了一系列不同摩尔量的Sm2O3改性的层岩状MoS2催化剂。当Sm2O3在原材料中的的摩尔百分含量为3%时,所制备的MSS-2催化剂具有最低的过电位。在10 mA cm-2的电流密度下其过电位仅为137 mV,而MoS2、MSS-1和MSS-3的过电位分别为252、213和210 mV。达到40 mA cm-2的电流密度时,MSS-2所需过电位仅252 mV,而MoS2、MSS-1和MSS-3的过电位高达为418、363和318 mV。此外,在24 h的稳定性测试前后,MSS-2催化剂的极化曲线几乎重合,体现出良好的稳定性。本论文通过简便的制备过程制备了一系列非贵金属基硫族化合物及其复合材料。电化学表征结果表明,纳米银耳状Bi2S3/MoS2、纳米钟乳石状SnS2/CoS1.097/GO复合物、CeO2改性的纳米珊瑚状NiSe2以及Sm2O3改性的层岩状MoS2在碱性电解液中均体现出了良好的电催化性能,是一类具有发展前景的阴极析氢电极材料。
暂无评论