脈沖激光沉積輔助制備WP2納米片及其電催化產(chǎn)氫性能研究.pdf

1、隨著全球?qū)剂夏茉葱枨蟮脑鲩L，我們的社會經(jīng)濟發(fā)展日益受到能源價格上漲的限制，并伴隨著氣候異常以及空氣污染。因此，對可持續(xù)、環(huán)境友好型能源的強烈需求，迫使我們?nèi)ヌ剿饕环N可以替代即將枯竭的化石能源的替代能源。氫能源，作為一種高能量密度、零碳排放、儲蓄豐富的可再生清潔能源，成為公認的將來可代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源的新能源。在所有生產(chǎn)氫的技術(shù)中，電催化分解水可以在低的過電勢下實現(xiàn)大的陰極電流密度，為大規(guī)模制備高純度氫提供一個簡單有前途的途徑。在過去

2、幾年，鎢基化合物包括碳化物、氮化物、硫化物特別是氧化物，已經(jīng)被報道作為電化學(xué)析氫反應(yīng)催化劑。合金過渡金屬（M）和磷（P）構(gòu)成的過渡金屬磷化物（TMP）具有類金屬特性，表現(xiàn)出了優(yōu)異的電催化活性，如鉬，鎢，鐵，鈷，鎳和銅基磷化物。磷化物，由于其優(yōu)異的電催化活性，正成為作為一種高效的電解水催化劑。
　　本論文回顧了電化學(xué)催化水分解的發(fā)展史，介紹了電化學(xué)催化水分解的基本原理，分析了影響電化學(xué)催化水分解性能的因素，總結(jié)了水分解的研究進展。在

3、此基礎(chǔ)上以制備富磷型過渡金屬磷化物 WP2納米片電極為目標，研究了水分解方面的性能，更進一步的分析其內(nèi)在機理，為電化學(xué)水分解效率的提升提供有益的借鑒。主要研究內(nèi)容歸納如下:
　?。?）制備WP2/GP及其電化學(xué)析氫行為研究
　　在干凈的石墨紙基底上生長WO3納米薄膜（WO3/GP），通過控制薄膜生長的時間，來控制前驅(qū)物WO3納米薄膜的厚度。然后運用真空封管技術(shù)對WO3納米薄膜進行磷化得到富磷介孔結(jié)構(gòu)的WP2納米薄膜（WP2/

4、GP）。對 WP2/GP納米薄膜的結(jié)構(gòu)、成分和電化學(xué)析氫性能進行了表征測試，研究過電勢對薄膜厚度的依賴關(guān)系。我們測得當薄膜厚度分別為54，140，219和244nm時，電流密度為10 mA cm-2時的過電勢分別為225，195，208和236 mV。
　?。?）制備3D介孔結(jié)構(gòu)WP2納米片陣列及其電化學(xué)析氫性能研究
　　首先，通過脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)在石墨紙基底上輔助沉積制備一層WO3種子層，接著運用水熱法在種子層上

5、生長分布均勻的WO3納米片陣列，然后運用真空封管技術(shù)對WO3納米片陣列在800℃真空環(huán)境下進行磷化，最終得到自支撐三維多孔結(jié)構(gòu)的WP2納米片陣列。另外，我們也直接通過水熱法在石墨紙上合成了WO3納米片，并進行同樣步驟磷化制備WP2納米片陣列。結(jié)果顯示，利用脈沖激光輔助沉積種子層合成的WP2納米片陣列比直接用水熱法合成的WP2納米片更致密緊湊，在酸性條件下電化學(xué)析氫性能更好。當電流密度達到10 mA cm-2時，有種子層的樣品WP2納米片

6、陣列對應(yīng)的過電勢為156 mV（塔菲斜率為65 mV dec-1），比無種子層WP2納米片對應(yīng)過電勢214 mV（塔菲斜率為80 mV dec-1）減小了58mV。同時我們也測試了WP2納米片陣列在堿性條件下的析氫性能，電流密度達到10 mA cm-2時對應(yīng)過電勢為207mV。另外還分析了納米片結(jié)構(gòu)WP2/GP電催化劑的氫氣形成微觀反應(yīng)機理，以及納米形貌的電催化劑對形成氫氣泡尺寸大小的影響。
　　（3）磷化溫度對電催化析氫性能的影

7、響
　　研究了不同磷化溫度（700℃、800℃、900℃）下“L”系列（無種子層）和“PL”系列（PLD輔助沉積種子層）樣品的電催化析氫性能，發(fā)現(xiàn)磷化溫度為800℃時，電催化析氫性能最佳。
　?。?）DFT計算
　　我們進一步運用DFT計算了H在WP2表面的吸附能來分析產(chǎn)生優(yōu)異性能的機理。在通過密度泛函理論計算出了氫原子在WP2表面活性位點上的吸附能為0.75eV和H-P鍵鍵長為1.43，這保證了質(zhì)子/電子的快速遷移與