硼掺杂石墨烯垂直阵列_铁系金属硼化物电催化剂的构筑及其全水解制氢研究.pdf

摘要 摘要 随着全球能源需求的日益增长和化石资源的逐渐枯竭，人类现在面临着 严重的能源危机，寻找一种新的可持续能源刻不容缓。氢能被誉为二十一世 纪最具发展前景的可再生绿色能源，在众多的制氢方法中，电解水技术是一 种简便、清洁、高效的可持续产氢方法，包括析氢反应 （Hydrogen evolution reaction,HER Oxygen evolution reaction,OER ）和析氧反应 （ ）两个半反应。 为了降低电解水过程中产生的高过电位，节约能源消耗，在工业中分别使用 铂族金属和铱/铷基化合物来降低过电位，加快HER 和OER 反应速率，然而 贵金属的储量稀缺、成本高昂，极大地阻碍了电解水制氢技术的规模化发展。 因此，研究和开发一种广pH 范围内高效、廉价、稳定的非贵金属电解水催 化剂对促进低能耗电解水制氢工业的规模化发展具有极为重要的意义。 Boron dopedvertically alignedgraphene 本文利用硼掺杂石墨烯垂直阵列（ arrays,B-VG）和铁系金属硼化物 （Iron group metalborides,IMBs）制备了一 pH 种新型的复合催化剂材料，应用于广 的电催化全水解领域之中。具体包 括两个方面： 1 （）通过对定向冷冻工艺条件的调整，合成了结构稳定、取向有序、孔 径均一的B-VG，建立了B-VG 的可控制备方案，然后采用化学沉积法在B-VG 基底上负载IMBs 制备了一系列硼掺杂石墨烯垂直阵列负载的铁系金属硼化 物复合催化剂材料 （IMBs@B-VG）。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、 X X 射线衍射、 射线光电子能谱等表征手段研究了催化剂材料的形貌结构、 元素组成和电子状态，结果表明了B-VG垂直阵列结构的成功形成以及非晶 态的FeCoNiB 纳米粒子的均匀负载；采用循环伏安法、线性扫描伏安法、电 化学阻抗谱、计时电位法等方法电化学测试了催化剂材料的电化学性能，结 果表明在一系列IMBs@B-VG 中，FeCoNiB@B-VG 展现出最大的电化学活 性比表面积、最快的电荷转移速率以及最高的电催化活性，在1.0MKOH 电 解液中，HER和OER过电位分别为31mV和387mV，Tafel斜率分别为30mV dec-1和60mV dec-1；在0.5M H SO 电解液中，HER 和OER 过电位分别为 2 4 -1 -1 148mV 和635mV，Tafel斜率分别为87mV dec 和264mV dec 。除此之外， FeCoNiB@B-VG pH 10h 在广 范围内都表现出 的良好稳定性。与已报道的大 I 摘要 部分非贵金属基电解水催化剂相比，FeCoNiB@B-VG 拥有更高的电催化活性， 在电催化全水解领域中展现了良好的实际应用价值。 2 IMBs Co Ni （）由于 中 、 相对含量的变化会对材料的催化活性产生显 著的影响，因此通过对化学沉积配方中硫酸钴和硫酸镍摩尔浓度的控制，在 不改变Fe 相对含量的基础上，调整了FeCoNiB@B-VG 催化剂材料中Co 和 Ni FeCo Ni B@B-VG x Co/(Co+Ni)%, 的相对含量，制备了一系列 x y 催化剂 （ y