铜纳米线负载镍基催化剂的合成和电催化析氢性能研究.pdf
摘要
摘要
随着化石燃料的大量使用，造成了能源危机以及环境污染等国际性难题。所
以开发和利用可再生资源成为当代社会亟待解决的问题。氢能作为清洁、绿色、
可再生的新能源，对其的开发和利用刻不容缓。在众多制氢方法之中，电解水制
氢作为绿色环保的制氢方式，符合我国碳中和，碳达峰的发展目标。电解水制氢
作为最为方便快捷纯度高的制氢方式，最有希望进行工业化。而目前商用的电解
水产氢电催化剂为了到达高活性的目的一般采用铂基催化剂，然而贵金属铂天然
丰度低且储量少，此外其作为电催化产氢的工作电极的稳定性也不尽如人意。
因此需要开发和利用性能优异的非贵金属催化剂来代替贵金属Pt基电催化
剂，过渡金属铁、钴、镍自然丰度高、成本低、导电性好是用作产氢工作电极的
理想材料。其中镍基催化剂作为过渡金属材料之一引起了人们的高度关注。镍基
催化剂有着优良的HER产氢性能和较好的稳定性，但单质镍由于其较大的氢吸
附吉布斯自由能易发生氢吸附反应而氢气的脱附反应难以进行造成了活性位点
的堵塞影响了其HER的活性。然而金属镍与氢氧化镍协同或与金属铜掺杂形成
合金都能有效调控其氢吸附吉布斯自由能从而提高其HER活性。此外电极表面
一些特殊的微观形貌如三维结构核壳结构等能有效提高氢气的析出速率。基于上
述讨论，本文通过化学氧化和电还原的方法制备了生长了铜纳米线(CuNWs)的
泡沫铜(CF)，并在其上采用不同时间电流-时间曲线(i-t)的电镀方法电镀了Ni-
Ni(OH)2复合物，所制备的Ni-Ni(OH)2复合物与铜纳米线和泡沫铜基底共同构成
了三维核壳结构纳米线的微观形貌。将其命名为CF/Ni-Ni(OH)-x(x代表不同的
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电镀时间)。在此基础上，通过酸处理原位溶解-电沉积的方法制备了负载了镍铜
合金的铜纳米线催化剂并将其命名为CF/Ni-Cu-x(x代表不同的电镀时间)，本论
文主要分以下二个部分：
(一)通过简单的电沉积方法制备了负载在铜纳米线表面的晶态-非晶态Ni-
Ni(OH)复合物催化剂并将其命名为CF/Ni-Ni(OH)-x，以增强碱性HER的活性。
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通过XRD、XPS、Raman、SEM以及TEM等表征手段对催化剂的组成结构和形
貌进行了研究，并证明了所制备的Ni-Ni(OH)2电极保持了纳米线的形貌和整体
的三维结构。此外通过LSV、Cdl、CV以及i-t等方法对催化剂的电化学活性和
稳定性进行了探究，CF/Ni-Ni(OH)-300电极在10和100mA/cm2时的过电位分
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别为73和336mV，并具有100小时的超长稳定性，相对于CF/Ni-Ni(OH)-180
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和CF/Ni-Ni(OH)-420催化剂CF/Ni-Ni(OH)-300在相同电流密度下有着更小的
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过电位和更大的电化学活性表面积，这是由最佳的Ni-Ni(OH)2沉积量和更大的
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比表面所带来的。多种表征共同证明了该种催化剂有着优良的电催化活性以及稳
定性。此外，对该种电催化剂的反应机理进行了探索。结果发现，该种催化剂优
良的电催化性能主要归因于Ni作为H吸附位点有利于活化氢的吸附，Ni(OH)2
有利于水的解离和氢气的形成，Ni-Ni(OH)2的协同作用共同促进了水的解离和氢
气的生成，特殊形貌所带来的气体的快速扩散。这为新型3D结构HER电催化
剂提供了一种新思路。
(二)在第一个工作的基础上进行了酸处理，最终得到了CF/Ni-Cu-x(x代表
电镀的时