新型亚稳相过渡金属硼化物的高温高压合成与电催化性能研究

To solve energy crisis and environment problem, it is an effect way to find novel energy material. And it is also the magnet in the field of materials, physics and chemistry. By using high pressure and high temperature (HPHT) technique, a series of metastable transition metal borides (TMBs) will be obtained for water-splitting reaction. Recently, we found that α-MoB2 exhibits relatively high performance as an electrocatalyst. Thus, we’ll prepare metastable CrB2, α-MoB2 and WB2 (AlB2-type), in which the transition metals show similar electronic structure due to the same group. And these metastable materials will be used for water splitting to product hydrogen. It is important to explain the relation between the structure and the water splitting performance. Thus, we’ll investigate the influence of temperature and pressure during HPHT reaction. The purpose of this proposal is not only to find out a new route to synthesize novel materials, but also to obtain novel inexpensive metastable TMBs electrocatalytic materials for water splitting. All in all, it will give crucial results for either science or practical application.

开发新型能源材料是解决能源危机和环境污染的有效手段，这一直是材料、物理化学领域的研究热点。本项目拟采用高温高压（HPHT）极端条件研发一类新型亚稳相过渡金属硼化物（TMBs）材料，并将其创新性地应用于电催化水裂解领域。目前申请人发现亚稳相α-MoB2体材料具备较高的电催化性质，在此基础上，以同一族的亚稳相CrB2、α-MoB2和WB2（AlB2-type）为研究对象，利用HPHT极端条件，制备电催化材料。再以这三种材料制作电极，考察其电催化性质。分析压力和温度对材料结构及性质的影响，阐明同一族不同周期的亚稳相TMBs的电催化机理，找出材料结构与性能间的关系，为设计新型亚稳相TMBs奠定研究基础。本项目提出了制备电催化材料的一种新方法，可以获得一类新型、廉价的高性能亚稳相TMBs电催化材料，为开发新型的能源转换材料寻找新途径，具有十分重要的科学意义和可观的经济效益。

开发新型能源材料是解决能源危机和环境污染的有效手段,是材料、物理化学领域的研究热点。在本项目的支持下，我们采用高温高压（HPHT）极端条件制备了亚稳相CrB2、α-MoB2和Mo1-xWxB2，研究了亚稳相过渡金属硼化物的电催化活性，分析了压力、温度对催化剂结构、性能的影响。项目研究内容取得的主要进展为：1、在5 GPa、2200 °C条件下，合成了单一相CrB2，酸性条件下的析氢性能优于碱性条件，归因于酸性条件下，CrB2的电子传输电阻小，电化学比表面积大；2、在5 GPa 、1800 - 2300 °C范围内均可以合成亚稳相α-MoB2，1800 °C时的α-MoB2表现出最优的析氢性能，10 mA cm-2时的过电势为149 mV，1000 mA cm-2时的过电势优于贵金属Pt，理论计算证实，其活性位点主要位于（100）和（001）晶面的Mo端，且高覆盖率时，吉布斯自由能接近于0；3、通过利用W原子替代Mo原子的方式制备Mo1-xWxB2（x<0.25），由于W的熔点高于Mo，故在5 GPa、2300 °C下，合成了不同掺杂量的催化剂，其中Mo0.9W0.1B2表现出最优的催化活性，在电流密度为10 mA cm-2时，过电势为242 mV，比W2B5和MoB2分别低49 mV和70 mV，tafel斜率也说明了Mo0.9W0.1B2具有更快的催化反应速率。由于合成温度高，体材料的致密性提高，降低了与电解液的接触面积，故整体的催化活性没有1800 oC时合成的MoB2活性好。研究成果证实亚稳相过渡金属硼化物是潜在的优异催化剂；同时在第ⅣB的AlB2类型的催化剂中，电荷密度调控与催化活性之间并非存在单调增加关系，而是存在峰值；且高温高压是制备水裂解催化剂的有效手段，是开发新型能源转换材料的新途径,具有十分重要的科学意义和可观的经济效益。