能源危机和环境危机是人类社会发展面临的亟待解决的重大问题,开发新型可再生清洁能源势在必行。在太阳能、风能、地热能等新型可再生清洁能源之中,氢能,以其极高的能量密度、高效的热转换效率、清洁无污染、同时原料水来源广泛等优势成为二十一世纪最具潜力的清洁能源之一。
在各种制氢途径中,电解水产氢具有环保、经济、可持续等特点,被认为是规模化、可持续的产氢途径。此外,太阳能、风能等新能源发电技术的迅猛发展大幅降低了用电成本,从而极大促进电解水产氢技术的发展。
然而,缓慢的动力学过程及其伴随而来的巨大能量损耗并阻碍了电解水的效率,促使人们探索高效、稳健的析氢电催化剂。贵金属铂及其合金能完美地符合高效催化剂的要求,被认为是目前最高效的析氢催化剂。
但是,由于铂存在全球储量低、价格昂贵等问题,铂基析氢催化剂的规模化应用和推广受到严峻的挑战。因此,亟待开发高效、全球储量丰富的非贵金属析氢催化剂,包括过渡金属氮化物、磷化物、硫化物、硒化物和碳化物。
在过渡金属化合物中,钴基化合物具有地球储量高(金属钴)、电催化性能优异等优点,被视为一类潜在的析氢催化剂。本论文选取储量丰富且具有电催化析氢潜力的钴基化合物为研究对象,针对双元钴基化合物组分单一,难以获得理想状态的电子结构等问题,通过对钴基化合物的掺杂来获得高效的电催化析氢催化剂。
在此基础上,结合X射线光电子能谱、X射线近边吸收结构、真空紫外光电子能谱和理论计算等方法,分别对金属和非金属掺杂对钴基化合物的改性机理进行深入研究,从而理解并阐释掺杂对钴基化合物的调控机制。并从原子尺度上理解电催化剂的制约因素和调控策略,为构筑高效的钴基化合物电催化析氢催化剂
及其它过渡金属化合物电催化剂提供指导。
本论文的研究内容主要包括以下两个方面:研究内容一:由于Co4N表现出良好的电催化析氧性能,从而被广泛报道为电催化析氧催化剂。然而,其不利的d带中心位置使得Co4N表现出较差的电催化析氢性能。
本论文发现过渡金属掺杂能有效调控Co4N的d带中心位置,从而赋予Co4N优异的碱性电催化析氧性能。电化学测试结果表明,V-Co4NNS在在10 mA cm-2电流密度下的过电势为37 mV,其性能远远高于Co4N并接近Pt/C催化剂。
钴及钴基合金氮化物的制备及其电化学析氢性能研究
