纳米多孔镍基双金属的脱合金可控制备、表面修饰及其电催化析氢活性

Improving the electro-catalytic activity of cathodic hydrongen evolution reaction(HER) materials and inereasing the actual spcofic surface area of the electrodes are two reseaech directions to reduce hydrogen evolution overpotential. How to integrate them organically, and improving the stability of electrode is the key problem to reduce energy consumption in electrolyzing water. According to the characteristics of natural resources in West China. In this study, we plans to prepare controllably nanoporous nickel based bimetal material though dealloying. Decorating functionally on the surface of nanoporous nickel based bimetal material by nanocrystalline metals-nonmetals, metal oxides, hydrogen storage alloy though electrochemical deposition,hydrothermal synthesis and in situ synthesis. Evaluating the electro-catalytic activity and stability by electrochemical methods. Study phase composition and synergetic dealloying mechanism of different phases and the interfacial characteristics of alloy/solution. Ensure effect of nanoporous nickel based bimetal material's internal structure and interfacial structre between electro active material on electro-catalytic activity of HER and stability of electrode. Probe deeply into the role of substantive characteristics of nanoporous nickel base composite electrode materials in the hydrogen evolution reaction mechanism and the kinetic process. controllably prepare nanoporous nickel base hydrogen electrode reaction materials with high specific surface area, high catalytic activity and high stability.

提高电极材料本身的电催化活性和增大电极材料的比表面积是降低阴极析氢过电位的两个研究方向，如何将两者进行有机结合，并提高电极稳定性是降低电解水制氢能耗的关键问题。本研究针对西部资源的特点，拟采用脱合金化可控制备纳米多孔镍基双金属材料，通过电化学沉积、水热合成和原位生成的方法在纳米多孔镍基双金属材料的表面复合纳米晶金属-非金属、金属氧化物等析氢材料及储氢合金进行功能化修饰，并利用电化学手段评价其电催化析氢活性和稳定性。研究脱合金过程中体系相组成及相腐蚀的协同作用机制、合金/溶液的界面特性；明确纳米多孔镍基双金属材料的内在结构及其电活性材料间的界面结构对其电催化析氢活性和稳定性的影响，深入探讨纳米多孔镍基复合电极材料的本质特征在析氢反应机制和动力学过程中的作用，可控制备高比表面积、高电催化活性和高稳定性的纳米多孔镍基析氢电极材料。

本项目研究工作紧紧围绕年度计划进行，完成了项目的研究内容，达成了预定目标。针对如何提高电极材料本身的电催化活性和比表面积来降低阴极析氢过电位的问题，研究工作采用快速凝固技术制备了不同成分的Ni-Al合金，通过脱合金化法可控制备了具有不同层次结构的纳米多孔镍，探讨了不同成分的Ni-Al合金在脱合金过程中的结构演变规律与机理。同时以纳米多孔镍为衬底，设计了不同原子百分比的Ni-Mo-Al、Ni-Co-Al前驱体合金，当Ni、Mo和Ni、Co的原子百分比达到1:1时，纳米多孔合金呈现出非晶化的趋势，并且表现出最优的析氢活性。基于Ni-Mo、Ni-Co纳米多孔合金的特点，我们分别进行了RuO2纳米颗粒的表面修饰、非金属元素的引入、双金属氧化物的转变及其与rGO的复合等方面的工作。纳米多孔Ni-Mo/RuO2和Ni-Co/RuO2复合电极在50 mA/cm2电流密度下析氢过电位分别达到了182 mV和 180 mV；Ni-Co-S/Ni5Co5、Ni-Mo-S/Ni5Mo5以及NiS/MoS2复合电极由于S元素的引入表现出良好的析氢活性和稳定性。通过脱合金进一步热处理得到了纳米多孔的ABO4型双金属氧化物，并将其用于电催化全水分解。CoFe2O4/CoMoO4复合电极仅在1.55 V时即可获得10 mA/cm2的电流密度，而且经过12 h的稳定性测试，电压仅仅变化了11 mV。经过rGO的表面修饰，CoMoO4/rGO、CoFe2O4/rGO以及CoFe2O4/CoMoO4/rGO复合电极的水分解性能相比较双金属氧化物复合电极具有更优异的催化性能。本研究项目构建了系列高比表面积、高电催化活性的纳米多孔镍基析氢电极材料，深入探究了电催化剂的微观结构、物相组成、界面结构与催化活性之间的联系，揭示了影响析氢活性和稳定性的关键因素，为电极材料的合理设计以及可控制备提供了实验基础和理论依据。