新型多孔磷掺杂过渡金属硒化物纳米材料的构筑及其催化性能研究

Developing new cheap, efficient and stable non-noble hydrogen evolution electrocatalysts is the key issue to realize the scale development of hydrogen industrialization. Currently, people are highly needed the profound understanding of the catalysis hydrogen evolution mechanism, the essential reason of the enhanced catalytic activity, and the correlation between the catalytic property and component or structure of the catalysts. Therefore, in this project, the primary objective is to develop porous phosphorus-doped transition metal selenide nanomaterials by combine the solid-gas method and plasma etching technique, and further research the catalytic performance. By using various advanced characterizations and theory calculations, clarify the mechanism of the hydrogen evolution reaction, uncover the interaction of the component and enhanced performance of the catalysts, establish the relationship of the component, structure, and property. Therefore, realize the unification of material design and applications, and offer the guide for developing high-performance non-noble composite catalysts.

发展新型廉价高效稳定非贵金属析氢电催化剂，是实现工业化制氢的关键。针对目前对催化析氢反应机理、活性提升本质原因和催化性能与组分-结构相互关系认识亟需深入。基于过渡金属硒化物在催化析氢领域的优势，本项目旨在利用固-气反应法与等离子体刻蚀处理相结合技术，开展多孔磷掺杂过渡金属硒化物纳米材料构筑及催化性能研究。通过构建不同组分或特殊表面结构，优化材料催化性能。结合多种先进表征技术手段和理论模拟计算，阐明催化析氢反应机制，揭示催化剂组分与催化性能提升的相互规律，建立组分-表面结构-催化性能的关系，实现材料设计与性能调控相统一，为设计制备高性能的廉价电催化剂提供思路。

氢气与氧气的电化学反应过程是发展可持续清洁能源技术（如电解水、燃料电池）的关键。本项目基于过渡金属硒化物在多种催化领域的潜在应用，通过磷原子掺杂精准调控二硒化钴的物相结构，成功实现其从稳定的立方相到亚稳态正交相结构的相转变，这种新型多孔磷掺杂正交相二硒化钴纳米带在碱性电解质中展现了类铂的催化析氢活性，并在酸性、中性及天然海水介质中，均表现良好的催化活性及稳定；基于过渡金属硒化物的特殊电子结构特性，本项目选择具有特殊电子传输能力的黒磷纳米片作为功能材料，与二硒化钴活性材料化学耦合，诱导表面活性位点电荷再分布，从而调控复合材料的催化选择性。在酸性介质中，此新型复合材料催化剂在300mV过电压下，电化学合成双氧水效率为91%，利用流动电解池装置，电化学合成双氧水产率可达1530mg/L∙h∙cm2。本项目利用多种合成策略有效调控活性位点电子结构，结合多种先进表征技术手段和理论模拟计算，揭示了催化剂活性位点电子结构与催化性能提升的相互关系，实现了材料设计与性能调控相统一，为设计制备新型能源转换材料提供新思路。