原子尺度合金碳化物/三维少层石墨烯的限域调控及其电催化析氢性能研究

This project aims to design and build a new electric catalytic system of hydrogen evolution, which constructs the atomic scale particles confined growth of cheap alloy carbide/3D graphene. Utilizing ion exchange resin and surface active agent to prepare 3D graphene with less layers; The controllable in-situ growth of atomic-scale alloy carbide MxC on the skeleton of 3D graphene could build preparation technology of electric catalytic hybrids of atomic-scale MxC-based particles and 3D graphene; We aim to investigate limited range load of the atomic-scale alloy of MxC and other non-precious metals on the surface of graphene, which may reveal synergistic action among graphene, MxC and low-cost metal alloy within atomic-scale level. This project also aims to study the mechanism of cooperative effects within the composite components through theoretical calculation and electric-catalytic activity of hydrogen production. The project colligates the size and quantum-tunnel effects of atomic-scale materials, the high electrical conductivity and catalytic/co-catalytic role of graphene, the cooperative effect between MxC and other non-precious metals to design non-precious, stable electrical catalytic composites with high efficiency. The project present here can provide guidance of constructing non-precious and practical electrocatalytic materials for water splitting.

本项目旨在设计原子尺度粒子限域生长的廉价合金碳化物/三维石墨烯电催化析氢新材料。利用离子交换树脂和表面活性剂为模板制备三维少层石墨烯；通过调控原子尺度金属碳化物（MxC）在三维石墨烯骨架上的原位限域生长，建立由原子尺度MxC粒子和三维石墨烯组成的多元复合催化材料定域可控制备技术；研究MxC与其它廉价金属组成的原子尺度合金在石墨烯上的限域负载，揭示石墨烯、MxC和廉价金属合金组分之间在原子尺度水平上稳定结合的协同作用规律；考察体系的电催化析氢性能，结合理论计算揭示复合材料电催化析氢的多重协同效应和作用机制。该体系综合了原子尺度材料的尺寸效应、量子隧道效应，石墨烯的超高导电性、催化和助催化作用，MxC 和其他廉价金属组分的协同作用，设计制备低成本、高效率、高稳定性的复合电催化制氢材料。本项目的实施可为开发具有实用价值的廉价高效电催化分解水制氢材料提供理论指导和实验依据。

本项目以离子交换树脂、富马酸以及常见的有机物为碳源，成功制备了三维石墨烯等碳材料，将Ni、Co、NiS、CoS、CoP等纳米粒子限域负载在3D石墨烯上，系统研究了原子尺度合金碳化物粒子/三维少层石墨烯复合材料的制备方法，系统研究了其光电催化分解水制氢以及光电催化降解环境有机物等光电催化性能，探讨了其催化作用机制。结果表明3D石墨烯不仅为Ni和Co及其衍生物的负载提供了大的表面积，而且由于它们的导电薄片而易于电子的传输，这可以提高电催化性能结果。微米和纳米尺寸分散的Ni和Co的分散增加了反应的活性位点并降低了固有电阻。所制备的Ni和Co基电催化剂都具有良好的HER和OER性能并且具有良好的稳定性。制备的电催化剂在低过电位下提供高电流密度，并且在反应期间显示出低电阻。Ni基电催化剂在性能上比Co基电催化剂相对更好。.开发了一系列廉价易得的非贵金属催化剂，同时以碳材料为载体，进一步降低催化剂中非贵金属含量，采用简单易得的制备方法合成出高效非贵金属碳基复合电催化析氢材料，考察了复合催化剂进行表征分析及性能。成功制备了钴基金属硫化物和磷化物/石墨烯复合材料电催化剂，并对这些电催化剂的成分，形貌和结构进行了分析，最后进一步研究了这些电催化剂在不同电解液中的电化学析氢性能 (HER)。采用廉价易得的碳载体支撑磷化钴化合物纳米粒子从而制备高活性的电解水催化剂，且取得了很好的效果。