镍基过渡金属碳化物催化剂计算设计与催化产氢机制研究开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

在快速发展的当代,能源危机和环境污染成为了人类必须面对的重大问题。在这场有关能源安全和气候变化的战争中,可再生和清洁能源的引进和应用被认为是解决这些问题的方法之一。由于氢(H2)燃料的环保性、热值高、可循环利用,H2在过去几十年被认为是一种绿色、有潜力的新能源燃料。迄今为止,水分解析氢反应(HER)包括电催化和光催化,这两种技术也被认为解决能源和环境问题的关键技术。现如今,贵金属(如Pt、Ag和Au)已经被证明在析氢反应中催化性能是最为优异的,但是高昂的价格和稀缺性严重限制了其在商业化发展中的应用。为了克服这些问题,科学家们尝试利用其它储量丰富成本价较低的材料来代替贵金属催化剂。这其中包含了TiO2、g-C3N4、MXenes、过渡金属硫族化合物、过渡金属磷化物、金属-有机骨架(MOF)、共价有机骨架(COF)等多种材料。

近年来,利用过渡金属化合物作为电催化剂或者光催化助催化剂已经引起了极大的兴趣,因为它们具有非常高的催化活性和土壤丰度,镍化物作为其中的一种也得到了人们极大的关注。厦门大学马来西亚分校的王伟俊教授团队尝试设计合成了Ni12P5/g-C3N4 hybrid纳米颗粒,利用XRD、TEM、STEM-HAADF、Raman、time-resolved photoluminescence 和光电化学分析等多种表征手段对催化剂的结构、性能进行深入分析,通过还原水析氢 (hydrogen evolution)来评价催化剂的光催化性能。研究结果揭示:当磷化镍的质量分数达到5wt%时,具有最好的光催化效率,且此时催化剂的稳定性大于30h,入射光波长为420nm时,催化剂的AQY达到了4.7%,超过了绝大多数报道的TMPs-based 光催化剂。在此基础上,王伟俊教授团队通过改变磷和镍的化学计量比来合成NixPy,成功地将0D Ni2P纳米颗粒高度分散沉积在了2D g-C3N4纳米片上,相比于单纯的Ni2P和g-C3N4,该化合物的光催化产氢效率有了显著增强。

除了镍的磷化物,其碳基化合物在析氢反应中也有着十分广泛的研究。

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