合金纳米棒阵列修饰的绣球碳等级孔复合体系的构筑及其电催化析氢性能研究

Facing to the problem on undesirable over-potential of hydrogen revolution and catalytic activity, this project plans to design and prepare serials of Ni-based alloy nanorods array modified overall porous-carbon-spheres (Ni-AlloyNRs-array/PCS) hierarchical porous composite system electrocatalytic nanomaterials with high catalytic activity by using “spray-pyrolysis technique”, “seed growth method” and “interface assembly way”. This hierarchical porous composite system contains rich overall channel macroporous and microporous in PCS wall and mesoporous formed by alloy nanorods array. As-designed nanomaterial will utilize hierarchical porous structure to promote mass transfer in electrocatalysis process; employs alloy nanorods array to increase the intrinsical activity of each active-cites for the decrease of energy barrier in electrochemical reation; depend on the conductivity of PCS and Ni-based alloy nanorods array to diliver the electrons on the interface of electrod and electrolyte. Thus, the purposes can be reached for reducing polarization, lowering overpotentional and enhancing catalytic activity, and we hope to realize the high efficiency stable electrocatalytic hydrogen revolution toward the water splitting. The investigation of electrocatalytic controlling process can be carried out through the adjusting of hierarchical porous structure, alloy component, the density of alloy nanorods array and hybride PCS, which can be used to optimize the performance of hydrogen revolution, and reveal the structure and function relation. This project is expected to impel the development of hydrogen energy.

针对当前电催化水解析氢反应所需求的低过电位和高催化活性难题，本项目拟利用“喷雾热解技术”、“种籽生长法”和“界面组装手段”，拟构筑系列镍基合金纳米棒阵列修饰的绣球碳等级孔复合体系（Ni-AlloyNRs-array/PCS）电催化纳米材料。这一等级孔复合体系包含了丰富的互通大孔和绣球碳壁内的微孔以及与合金纳米棒阵列形成的介孔。该材料利用等级孔结构促进电催化析氢反应物质传输；利用合金纳米棒阵列提高活性位点的内在活性和密度，降低电化学反应的能垒；利用导电的绣球碳骨架和合金阵列促进电极和电解质界面上的电荷传递。最终达到减小极化，降低过电位，增强催化材料内在活性的目的，从而实现稳定高效的电催化水解析氢。通过改变材料的等级孔结构、合金组成、合金纳米棒阵列的密度和绣球碳的掺杂等来研究电催化的调控过程，优化析氢性能，揭示电催化剂的构效关系。课题的开展将为推进氢能的发展起到积极作用。

基于发展清洁氢能中的高效电催化水解产氢目的，本课题建立了纳米合金及其氧化物修饰的绣球碳等级孔复合体系纳米催化材料的合成新体系，获得了七大系列“纳米合金/金属氧化物-绣球碳”等级孔复合体系和“金属/合金-金属氧化物”多孔复合体系的构筑，并研究了这些纳米材料应用于电催化水解产氢和锂/钠离子储存以及环境污染物的降解与转化等的催化性能。取得的创新研究成果主要包括：1）建立了喷雾热解-界面组装-原位相转变新技术，合成了“纳米合金-绣球碳”等级孔复合体系，该类材料可以显著提升电解水产氢的催化性能，并降低了高效电催化水解产氢的成本问题； 2）发展了基于绣球碳的溶剂热原位生长以及结合镁热还原新方法，制备了“金属氧化物-绣球碳”、“金属/碳酸盐-绣球碳”、“金属-碱式金属氧化物-碳纳米管”等系列的贯通孔复合体系，这类材料表现出对电极材料的电化学活性高效提升效果，为储能材料的发展提供了新思路； 3）提出了“动力学调控组装-控制还原”新方法，构筑了 “金属/合金-金属氧化物”体系不同系列纳米异质结构，该类材料对一氧化碳氧化和抗生素等环境污染物降解表现出高效的催化活性，为环境保护探索了新途径；4）拓展了溶剂热中结构导向剂调控过程，获得了放射状多元合金纳米镶嵌结构，在催化甲醇氧化方面展现出卓越的催化活性，这对发展燃料电池有积极意义。对上述纳米材料合成与催化机理进行了深入研究，探索了材料组成/结构与性能的相关性。