摘 要

对于商业化电解水制氢和金属空气电池而言，开发高效、稳定和低成本的析氧反应 （Oxygen Evolution Reaction，OER）电催化剂是一个巨大的挑战。目前二氧化铱（IrO₂）、二氧化钌（RuO₂）等贵金属基纳米材料被认为是最好的析氧反应电催化剂，但是这些贵金属的高成本、稀缺性严重限制了它们在电解水中的实际应用。在过去的几年里，高活性的过渡金属氧化物、氢氧化物及其衍生物被广泛地研究开发出来。二硒化镍作为过渡金属硒化物中一种典型的窄禁带宽度的电子体系结构材料，具有良好的本征电催化活性，为一种理想的OER电催化剂。同时，双金属离子之间的协同效应，可以有效的提升电催化剂的导电性、表面活性位点，因此，本文采用一步水热法构筑铁掺杂二硒化镍纳米正八面体粒子（Ni_0.75Fe_0.25Se₂），并将其作为阳极电催化材料进行催化性能和机理的研究。主要的研究成果如下：

1. 采用一步水热法成功构筑铁掺杂二硒化镍纳米正八面体粒子；
2. 电催化测试数据表明，其作为阳极电催化材料展现出优异的OER活性，在10 mA/cm²电流密度下，过电势仅为240 mV，相比于IrO₂的相同电流密度下的过电位340 mV有较大提升，同时塔菲尔斜率表明Ni_0.75Fe_0.25Se₂的反应动力学较快，仅为48 mV/dec，而IrO₂为91 mV/dec。

关键词：Ni-Fe协同效应；硒化物；析氧反应；电催化

Abstract

Developing a highly efficient, and lower cost electrocatalyst with considerable durability for the oxygen evolution reaction (OER) is a great challenge toward the commercialization of water electrolysis and metal-air batteries. To date, precious IrO₂ and RuO₂ nanomaterials are considered as the most efficient OER electrocatalysts because of their intrinsic high activity. However, the limited resource and high cost greatly restrict their large-scale practical applications in water electrolysis. In the past several years, highly active transition metal oxides, hydroxides and their derivatives have been extensively researched and developed. As a typical narrow band gap electronic structure material in transition metal selenide, nickel diselenide has good intrinsic electrocatalytic activity and is an ideal OER electrocatalyst. It’s noted that the synergistic effect between the bimetallic ions can effectively enhance the conductivity and surface active sites of the electrocatalyst.

In this thesis, a one-step hydrothermal method is carried out to construct iron-doped nickel selenide nano-octahedral particles (Ni_0.75Fe_0.25Se₂), and its catalytic performance and mechanism are studied as anode electrocatalysts. The main research results are as follows：

1. Successfully construct Fe-doped nickel diselenide nano-octahedral particles；
2. The electrocatalytic test data manifests that the Fe-doped nickel diselenide nano-octahedral particles (Ni_0.75Fe_0.25Se₂) exhibits excellent OER activity, and the overpotential is only 240 mV at a current density of 10 mA/cm², compared with the 340 mV of IrO₂, which has a large increase. The Tafel slope indicates that the reaction kinetics of Ni_0.75Fe_0.25Se₂ is faster, only 48 mV/dec, while IrO₂ is 91 mV/dec；

Key words: synergistic effect of Ni-Fe; diselenide; oxygen evolution reaction; electrocatalysis

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2电解水析氧反应的研究 3

1.2.1析氧反应的电化学反应机理 3

1.2.2 析氧反应电子转移过程的研究 5

1.2.3析氧反应电极材料的研究现状 5

1.3析氧反应电极材料的研究进展 6

1.3.1贵金属氧化物电催化剂 7

1.3.2常规的过渡金属电催化剂 7

1.3.3自支撑过渡金属电催化剂 8

1.4本论文选题意义及主要研究内容 9

第2章 实验材料的制备与表征 11

2.1实验药品和仪器 11

2.1.1实验药品信息 11

2.1.2实验仪器信息 11

2.2材料的表征方法 12

2.3掺杂铁的双金属Ni_0.75Fe_0.25Se₂纳米正八面体粒子的制备和表征 12

2.3.1掺杂铁的双金属Ni_0.75Fe_0.25Se₂纳米正八面体粒子的制备 12

2.3.2 掺杂铁的双金属Ni_0.75Fe_0.25Se₂纳米正八面体粒子的表征 13

第3章 Ni_0.75Fe_0.25Se₂纳米正八面体粒子的电催化性能 21

3.1 RDE分析 21

3.1.1 线性扫描伏安 (LSV) 和不同扫速的循环伏安 (ECSA) 21

3.1.2 电化学阻抗分析 (EIS) 和稳定性分析 23

3.2 RRDE分析 24

第4章 结论 26

参考文献 27

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 引言

随着人类社会经济和科学技术的高速发展，人们对物质生活的飞速提高，导致对能源的需求日益增长^[1]。目前，世界上绝大数的能源均是由传统的化石等传统燃料提供^[2]。据2018年最新颁布的《世界能源统计年鉴2018》统计大数据显示，2017年，全球一次性能源总消耗量较上年增长了2.2 %，我国大陆一次能源消耗增量高达3.1 %，其中天然气的需求剧增，增幅高达15.1 %，创2011年以来最高值，这在推动我国经济发展的同时也对环境造成了严重污染，碳排放量不断增加，燃烧化石燃料产生的废气导致了严重的空气污染，因而，研究开发绿色高效可持续发展的新能源，成为当今的热点话题之一，也是亟待解决的技术难题。

因此，在过去的几十年中，风能，潮汐能，水能，地热能等清洁能源相继的被开发并逐渐加以利用，虽然这些新能源取之不尽，但是由于技术手段和其它因素的影响，导致开发这些能源的成本很高，并且这些能源是不稳定的，具有很强的“间歇性效应”，于是如何把这些清洁能源转化为其它形式的能量储存起来，成为一个关键性的技术，电解水制取氢气，就是一种极具有前景的尝试^[3]。