论文部分内容阅读
目前,主要的制氢技术为化石燃料制氢、生物质制氢、电解水制氢等,其中电解水制氢只承担了不到4%的生产任务。电解水析氢过程中需使用催化剂来增强析氢反应动力学,从而在较低的电位下触发质子还原,析出氢气。传统的催化剂主要为地壳丰度低和价格昂贵的贵金属如Pt、Ru和Ir等。相较于贵金属而言,过渡金属因具有未充满的d轨道,易于与其他物质进行络合,且价格相对低廉等特性,在电解水析氢反应中具有良好的应用前景。但是,本征催化活性不理想、稳定性差等因素,限制了其在实际生产过程中的大规模应用。为此,我们针对上述存在的问题对过渡金属基催化剂进行改性,主要实施了如下三种有效的改进策略。（1）以泡沫镍作为基底,利用化学镀和共沉淀耦合技术,通过一步水热直接在泡沫镍上组装氢氧化镍层间嵌入钌量子点的三维网状结构催化剂层（Ru OX（0.24%）-Ni（OH）2/NF）。由于氢氧化镍和钌量子点之间存在强键合作用,析氢反应的过程中氢氧化镍和钌活性位点之间能够协同作用,有效地降低了析氢反应的过电位。Ru OX（0.24%）-Ni（OH）2/NF具有出色的HER催化活性,仅需27.1 m V的过电位即可达到10 m A/cm~2的电流密度,即使在300 m A·cm-2时的过电位仅为105.1 m V。优异的催化活性和简单的制备方法表明,该催化剂具有较大的工业应用潜力。（2）葡萄糖在水热条件下发生分解反应,制备出碳点。碳点表面分布着大量的电荷,且与金属离子之间存在静电作用。在水热反应条件下,静电作用可以有效地将碳点原位嵌入在镍、钴和锌的氢氧化物层中。然后,将水热合成的催化剂置于600℃管式炉中煅烧,利用锌元素在高温下易于逸出的特性,调控了催化剂的形貌,合成了具有三维多孔道结构的NCZ-CDs-600等催化剂。NCZ-CDs-600表现出了较好的催化性能,10m A/cm~2时对应的过电位为171.23 m V以及50 m A/cm~2时对应的析氧过电位仅为358.00m V。该实验方法证明了碳点在析氢和析氧催化剂的合成中具有良好的应用前景。（3）采用乙二胺对碳点进行修饰,制备出氮化碳点。氮化碳点与镍、钴和钌离子进行络合,并通过静电作用将络合后的氮化碳点嵌入在双羟催化剂层中,最终合成了NCZ-NCR/CDs（N）等催化剂。三元金属离子与氮化碳点之间的协同作用极大地提升了催化剂的本征催化活性。NCZ-NCR/CDs（N）在10 m A·cm-2时对应的析氢过电位仅为53.02m V,当电流密度达到100 m A·cm-2,其对应的析氢电位仅为163.75 m V。较低的电荷转移电阻（3.43（?））和Tafel斜率(73.81 m V·dec-1),均证明NCZ-NCR/CDs（N）具有出色的反应动力学。该实验方法为多元金属催化剂的合成提供了一种新的解决思路。