過渡金屬化合物-碳納米纖維復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)催化析氫性能研究.pdf

1、當(dāng)今21世紀(jì)，能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全球面臨的最大挑戰(zhàn)。氫氣作為一種新型可再生的清潔儲(chǔ)能源載體受到了廣泛關(guān)注。電解水方法(HER)則是一種制備高純度氫氣的清潔環(huán)保的有效方法。電解水過程中的關(guān)鍵因素在于選擇合適的析氫催化劑。目前，使用最多的析氫催化劑為Pt等貴金屬材料，但其儲(chǔ)量較少，價(jià)格昂貴，不利于推廣和可持續(xù)發(fā)展。因此，如何通過調(diào)控催化劑材料的組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法獲得價(jià)格低廉、性能優(yōu)良、能夠替代Pt貴金屬的析氫催化劑是目前新能源領(lǐng)域的研

2、究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
　　靜電紡絲技術(shù)是一種制備一維納米材料的有效方法。到目前為止，多種高分子納米纖維、無機(jī)納米纖維、以及高分子/無機(jī)物共混納米纖維均可以通過此技術(shù)來制備得到。由于靜電紡納米纖維材料較常規(guī)加工方法得到的纖維具有孔隙率高、比表面積大、結(jié)構(gòu)可控性強(qiáng)等眾多優(yōu)勢(shì)，因而在電催化析氫反應(yīng)中顯示了十分廣闊的應(yīng)用前景。
　　因此，本論文利用靜電紡絲技術(shù)，結(jié)合聚合物的原位聚合方法對(duì)過渡金屬化合物/碳納米纖維復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過

3、催化活性物質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)化來增加催化位點(diǎn)密度；同時(shí)碳納米材料與過渡金屬化合物進(jìn)行有效復(fù)合，利用一維碳納米纖維材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑提高載體導(dǎo)電性，進(jìn)而改善材料的催化析氫活性及其循環(huán)穩(wěn)定性能，從而制備出高性能的非貴金屬電化學(xué)催化析氫材料。具體來說，本論文的研究主要分為如下兩個(gè)部分：
　　第一部分，利用靜電紡絲技術(shù)制備聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和四硫代鉬酸銨[(NH4)2MoS4]納米復(fù)合纖維，再采用原位聚合在復(fù)合纖維表面包覆聚吡咯(PPy)

4、，最后經(jīng)過高溫碳化還原得到具有蛋黃-蛋殼(yolk-shell)結(jié)構(gòu)的MoS2@N-C納米纖維復(fù)合材料，并系統(tǒng)研究其電化學(xué)析氫性能。結(jié)果表明，外層氮摻雜碳對(duì)內(nèi)部芯層MoS2起到了顯著的限域作用。通過控制靜電紡絲液前驅(qū)體的濃度來控制內(nèi)部芯層MoS2的直徑，最終得到當(dāng)(NH4)2MoS4:PMMA質(zhì)量比為1:2時(shí)，材料具有最佳的析氫性能，其得益于更高密度的MoS2催化位點(diǎn)，以及殼層氮摻雜碳與芯層MoS2之間的快速電荷傳輸。該復(fù)合纖維催化劑的

5、起始電位(η0)為205 mV，Tafel斜率為35.4 mV decade-1。
　　第二部分，利用高分子溶液的可紡性、結(jié)合靜電紡絲技術(shù)制備出(NH4)2MoS4/PMMA及(NH4)2WS4/PMMA納米復(fù)合纖維，再采用原位聚合方法實(shí)現(xiàn)不同氮摻雜源的聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、聚多巴胺(PDA)聚合物在復(fù)合纖維表面的均勻包覆，最后經(jīng)過高溫碳化還原得到MoS2@NPPy-C、MoS2@NPANI-C、MoS2@NPDA