二维过渡金属化合物纳米片构筑的三维分级结构催化剂的设计及其在水产氢中的应用研究

Sustainable and clean hydrogen energy can be achieved via water splitting, and scientists have always been trying to prepare high efficient catalysts with low cost. In this work, inorganic conducting materials will be employed as the substrates, and we will synthesize hierarchical 3D catalysts constructed by 2D transion metal via the reduction of Co and Ni's precursors. Moreover, they will be transferred into different transiton metal complexes through the heat treatment in the conditions of ammonia, sulfur, and phosphorus, meanwhile, their morphologies should be well remained. These new prepared hierarchical 3D catalysts will be measured in hydrogen evolution and oxygen evolution reactions, to estimate their activities and stabilities, and compared with commercial platinum and ruthenium dioxide. In addition, we will study and put forward the relations between their surfacial electronic structures and catalytic performance via doping control experiments and density function theory simulations, to futhrer understand the behind catalytic mechanism and provide reference for designing and fabricating new catalysts in future.

水分解可以实现制备可持续清洁的氢能源，合成低成本高效的催化剂一直是科学家们努力的目标。本项目研究以无机导电材料为基底，对镍钴的金属有机盐和无机盐原料进行还原，制备得到三维分级结构的二维过渡金属纳米片材料。进而用热处理法，通过引入氨气、硫粉和磷粉等物质，把产物转变成不同类型的过渡金属化合物，同时维持住原有的形貌结构，形成制备由二维过渡金属化合物纳米片构筑成的三维分级材料的工艺技术，研究制备工艺对合成产物的影响。以电催化水分解的氢析出和氧析出反应为对象，研究不同催化剂在反应中的活性表现和稳定性，并与商业的铂和二氧化钌做对比，评估其电催化能力。通过掺杂其它过渡金属元素和结合密度泛函模拟，进一步研究其表面电子结构与催化活性的关系，理解催化机制，为设计和制备新型催化剂材料提供依据和选择。

随着化石燃料的大量使用，环境污染等一系列问题对人们的生活产生了很大的困扰。氢能源被认为是21世纪最有可能替代化石燃料的清洁能源之一，目前通过电催化水分解持续产生氢气的方法被广泛认为是最有前景的途径之一。水裂解反应包含两个半反应：析氢反应（HER）和析氧反应（OER）。其中OER涉及四电子转移过程，反应动力学较慢，导致水分解难以进行，因此，设计并研发具有高催化效率的水裂解催化剂是十分必要的。过渡金属元素成本低，效率高，稳定性好，从而使得氢能源的大规模使用成为了可能。设计并研发具有更高催化活性，更高的催化效率以及更长久的稳定性的过渡金属基电催化剂是本项目的主要研究目标。在该项目的支持下，循序渐进，取得了一定的工作进展，主要有：（1）采用溶剂热法制备出N掺杂MoS2纳米片，HER性能相比于初始MoS2有了明显的提升。（2）先后经过溶剂热和化学固相掺杂两个过程合成阴离子修饰的Ni3S2纳米片阵列，与纳米粉末相比，纳米阵列结构具有更多暴露的活性位点，更大的电解液接触面积，因此拥有更大的催化活性。（3）在常温条件下直接合成Fe-Co-Ni无定型纳米片阵列，合成条件简单，性能优异，可媲美于当前报道的大多数过渡金属催化剂和商业贵金属催化剂。（4）在室温条件下合成过渡金属Cu基阵列材料，为这种普遍认为没有催化活性的过渡金属材料的应用提供了可能。上述结果表明，设计研发与合成过渡金属基催化剂材料可以有效提高电催化产氢的效率，对于氢能源的推广与应用具有一定的参考意义。