FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜的可控制备及电催化析氢反应机理研究

Electrocatalytic hydrogen evolution reaction (HER) is an effective way to achieve large-scale production of hydrogen energy. Iron sulfur-carbide has received increasing attention in both basic and applied studies due to its extensive source, chemically stable properties and simple preparation process. Meanwhile, the nanoporous thin films with ultrahigh specific surface areas and unique porous structure are supposed to be the most promising non-noble metal electrocatalysts for HER. However, due to the synthetic challenges, the research in HER of the iron sulfur-carbide nanoporous film is still in its infancy. In this project, anodic oxidation, low temperature chemical vapor deposition (CVD) sulfuration and carbonization will be used to prepare iron sulfur-carbide nanoporous thin film, and realize the FeS2/Fe3C-graphene nanoporous composite film controllable synthesis. By systematically study the structure, morphology and electrocatalytic properties of FeS2/Fe3C-graphene nanoporous composite film electrode, we could unravel the general quantum size effect, interface effect and HER mechanism of electrocatalysis. The main contents are as follows: (1) synthesis, ordered construction of FeS2/Fe3C-graphene nanoporous composite film electrode, and its in situ, real-time characterization; (2) the reaction kinetics and catalytic mechanism of FeS2/Fe3C-graphene nanoporous composite film electrode.

电催化析氢反应是实现大规模制备氢能源的有效途径。铁的硫-碳化物具有来源广泛、化学性质稳定、制备工艺简单等优点，其基础和应用研究备受关注。具有纳米多孔薄膜结构的铁硫-碳化物更因独特的多孔结构、超高的比表面积是理想的非贵金属析氢电极材料。然而，铁硫-碳化物的纳米多孔薄膜不易制备，其在电催化析氢反应方面的研究目前尚处于起步阶段。本项目拟采用阳极氧化和低温 CVD 硫化与碳化调控 FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜形貌，研究其组成、结构与电催化析氢性能之间的联系，探明 FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜电极量子尺寸效应、界面效应对电催化的作用。主要研究内容如下：1) FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜的可控制备和电极有序化构筑及原位、实时表征；2) FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜电极反应动力学过程及电催化析氢反应机理。

电催化析氢反应是实现大规模制备氢能源的有效途径。铁的硫-碳化物具有来源广泛、化学性质稳定、制备工艺简单等优点，其基础和应用研究备受关注。具有纳米多孔薄膜结构的铁硫-碳化物更因独特的多孔结构、超高的比表面积是理想的非贵金属析氢电极材料。然而，铁硫-碳化物的纳米多孔薄膜不易制备，其在电催化析氢反应方面的研究目前尚处于起步阶段。本项目采用阳极氧化和低温 CVD 硫化与碳化调控FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜形貌，研究其组成、结构、形貌与电催化性能之间的联系，探明 FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜电极量子尺寸效应、界面效应及其电催化机理。本项目探索了固相体系中FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜的可控制备、组装行为及其电催化析氢反应机理。通过阳极氧化、低温CVD硫化与碳化合成有特定组成、结构、孔径大小的FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜。此外，本项目还研究FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜表、界面结构特征，探索了FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜催化析氢反应的机理，并对产物电催化析氢反应特性研究，分析了该类材料在析氢反应中的电子转移方式和反应机制，制备出一类具有优异电催化析氢性能的非Pt电催化剂。本项目揭示FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜低温制备的普遍规律，即确定CVD反应的热力学行为和动力学机理，实现FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜的可控制备。此外，研究发现，FeS2和Fe3C协同作用是影响FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜电极电催化析氢中的动力学稳定性和活性的关键因素，并通过优化CVD处理工艺条件获得高催化活性和稳定性的非Pt电催化剂。本项目探明了建立了实现分子、离子和电子高效输运的有序纳米结构电极的可控构筑方法，实现了电极结构和功能的调控。解决了制约FeS2/Fe3C-石墨烯复合纳米多孔薄膜电催化剂实用化面临的活性、稳定性和使用寿命等方面的关键科学问题，该工作不仅发展了高性能复合纳米多孔薄膜电催化剂，而且为研究复合催化剂的催化机理以及析氢性能的决定因素提供了重要支持。