镍磷合金中磷元素对析氢行为的影响机制研究

Developing hydrogen – a paradigm of renewable energy – serves as a highly feasible direction in resolving future energy problems. Nevertheless, the eventual prospect of hydrogen and its potential applications in wider realms still face with a range of scientific and technological challenges and questions. This project aims at addressing crucial problems in the course of generating hydrogen through electrolysis of water, and puts forward taking nickel phosphide alloys as objects of study, then deeply and systematically study the influence upon hydrogen evolution after introducing phosphorus. By reasonable choices, we are expected to design advisable preparation technology processes and grasp critical technologies, such as structures, crystalline, elemental constituents of nickel phosphide alloys. Based on this, advanced materials analytical methods, together with electrochemical analytical methods, will be applied to discuss the influencing mechanisms that phosphorus has on surface atomic situation, chemical bonding function, surface binding energy of nickel phosphide alloys; reveal kinetic mechanisms of hydrogen evolution influenced by nickel phosphide alloys’ crystal structures, surface micro-structures, elemental compositions; understand the rate controlling step in the electrochemical processes of hydrogen atoms’ adsorption and desorption influenced by the surfaces of nickel phosphide alloys; elucidate HER mechanisms of nickel phosphide alloys in the microscopic perspective and meanwhile, find out the ultimate causes leading to structural damage and attenuating efficiency of electrode materials working under practical settings. Predicated on these, we are expected to carry out structure design and optimize performances of electrode materials and provide scientific basis for the development and research of high-performance and low-cost electrolytic hydrogen electrode materials.

发展氢能为代表的新能源是解决未来能源问题极具可行性的方向，但氢能走向最终的应用仍要面对诸多关键科学与技术问题的挑战。本项目针对电解水制氢中电极材料存在的低效率、高成本等关键问题，提出以低成本的镍磷合金为研究对象，深入系统地研究引入磷元素后合金材料对析氢反应的影响。通过选择设计出合理的制备工艺路线，掌握控制镍磷合金结构、晶型、组分的关键技术；在此基础上，利用先进的材料分析手段，结合电化学分析方法，探讨磷元素对镍磷合金表面原子状态、化学键合作用、表面结合能等的影响机制，揭示镍磷合金的晶体结构、表面微结构、元素组成等对析氢反应动力学的作用机理；考察电化学过程中镍磷合金表面对氢原子吸附解吸的速率控制步骤，从微观层面阐明镍磷合金的析氢行为机制，同时考察在实际环境中电极材料结构破坏和效率衰减的根本原因，并据此对电极材料进行结构设计和性能优化，为高性能、低成本电解制氢电极材料的研究与开发提供科学基础。

发展氢能是解决当前能源短缺和环境问题的可行性策略，但低效率和高成本是水分解电极亟需解决的关键问题。因此，急需发展高效且经济的电催化水分解材料，最具优势的催化剂是Ni-P基纳米材料，其是催化领域的热点研究课题之一，而其性能很大程度上依赖于材料的形貌、成分和尺寸等自身参数。本项目针对这一热点研究，开展了Ni-P基合金中P元素对析氢行为影响机制的研究，主要通过低温磷化法可控制备Ni-P基纳米催化剂。在此基础上，对合成的Ni-P基纳米催化剂的物理化学特性和电催化性能进行深入研究，本项目对相关催化剂的可控制备和生长机理具有重要的科学价值，相关性能为高效电催化水分解材料的设计提供了研究基础和参考价值。.项目围绕Ni-P基纳米催化剂的可控制备及其电催化产氢性能展开了深入研究。主要包括六方面的研究内容：1）低温磷化制备成分和形貌可控的Ni-P基纳米催化剂及其形成机制研究；2）不同Ni-P物相间协同机制的研究，表明富P相可提供更多的活性位点；3）利用共沉积的水热法制备了Co、Fe共掺杂的Ni-P基层状氢氧化物，并揭示P元素的重要性；4）无模板法制备Co2P纳米棒，并分析其电催化反应机制；5）利用粉末冶金法合成多孔结构的Ni基合金，其活性物质是FeNi3；6）脱合金处理在Ni基多孔合金的表面生长Ni(OH)2纳米片阵列，可进一步优化电催化性能。重点研究了低温磷化和水热法可控制备Ni-P基纳米催化剂的形成原理，掌握了Ni-P基纳米催化剂合成的关键工艺参数，在此基础上，系统分析了Ni-P基纳米催化剂的物理化学特性，总结了影响性能的相关规律，揭示了Ni-P基纳米催化剂的电催化性能取决于P元素的含量和特定形貌，主要是由于P元素具有较强的组合效应且富P相可提供更多活性位点。研究结果为Ni-P基纳米催化剂在能源、催化领域的进一步发展奠定了有利基础。目前已公开发表署名的SCI论文12篇，申请国家发明专利3项。