摘要：设计开发可用于电催化氧还原反应(ORR)的高效催化剂对于推进可持续能源技术(如燃料电池和金属空气电池等)的进一步发展至关重要.然而,由于ORR涉及多电子转移过程,并且动力学迟缓,电位高,从而限制了相关技术的实际应用.到目前为止,铂族金属被认为是ORR的基准电催化剂.然而,由于铂族金属资源稀缺、价格高、催化剂稳定性不足阻碍了其在不同能源装置中的进一步应用.因此,亟需开发出高活性、低成本、耐用的ORR电催化剂,从而推进可再生能源技术的进一步发展.双金属纳米合金因具有良好的导电性、可调整的电子态且金属间存在协同效应而被认为是一种有较大应用前景的ORR催化材料.本文采用自我牺牲模板法,将均匀的Co Ni合金纳米颗粒原位封装在N掺杂碳纳米管/纳米线耦合的分层结构中,构建了莫特-肖特基电催化剂(CoNi@N-CNT/NWs),并应用于金属空气电池.采用X射线衍射、拉曼光谱、热重、BET比表面积测试、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜和透射电镜等方法对催化剂进行了表征.扫描电子显微镜和透射电镜结果表明,复合材料呈现一维多级结构的纳米管分支/纳米线主干的层次结构.实验结果和理论计算表明,CoNi纳米合金与N掺杂碳纳米管/纳米线的整流接触可以诱导自驱动电荷在莫特-肖特基异质结上转移,从而提高了电子转移效率并调节电荷分布.此外,碳分支/主干型分层结构作为支架的建立,增加了CoNi@N-CNT/NWs材料中活性位点的暴露,避免了材料堆积或聚集,进而提高了机械稳定性,缩短了传质扩散的路径并提高了气体传质的速率.得益于结构和电子优势,CoNi@N-CNT/NWs具有较好的ORR性能,其半波电位(E1/2)为0.86 V,在0.1 molL^(-1)KOH电解质中表现出较好的稳定性.采用CoNi@N-CNT/NWs电催化剂组装的锌空电池可以实现较高的开路电压、高峰值功率密度以及大比容量和持久的循环性能,在不同ORR相关的能源装置中展示出良好的应用前景.综上所述,金属空气电池是未来最具有潜力的能源转换器件之一,双金属纳米合金的精细设计和结构调控将为氧还原催化剂的可控制备和性能优化提供新思路.

摘要：石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种新型的有机半导体材料,具有独特的层状结构、合适的能带位置、简单的制备方法以及出色的稳定性等特点,因而被广泛应用于光催化产氢领域.但是,较高的光生载流子的复合率和受限的迁移率大大地限制了g-C3N4的光催化产氢性能.目前,大量的研究证实块状g-C3N4的液相剥离、表面改性、元素掺杂、与其他半导体复合构筑异质结以及负载助催化剂等方法可以在一定程度上提高g-C3N4的光催化产氢性能.但是单一的g-C3N4改性方法往往并不能获得最理想的光催化产氢性能,因此,本文采用低温磷化法制备了二价钴(Co(II))修饰的磷(P)掺杂的g-C3N4纳米片(Co(II)/PCN),同时实现了掺杂P原子和负载空穴助催化剂Co(II),该催化剂表现出出色的光催化产氢性能.在光催化制氢过程中,铂(Pt)纳米颗粒作为电子助催化剂成功的负载在Co(II)/PCN上.光催化实验结果表明,最佳的Pt/Co(II)/PCN复合材料光催化产氢速率达到774μmol·g^?1·h^?1,比纯相的g-C3N4纳米片(89.2μmol·g^?1·h^?1)提升8.6倍.同时优化的光催化剂具有良好的光催化稳定性,并在402 nm处具有2.76%的量子产率.XRD,TEM,STEM-EDX和AFM结果证明,成功制备了纳米片状形貌的g-C3N4及其复合材料,催化剂中均匀的分布着Co和P元素.通过XPS证明了P-N的存在以及Co(II)的存在,并且Co(II)是以一种无定型的CoOOH的形式吸附在g-C3N4表面.光照后的TEM证明Pt颗粒成功的负载在Co(II)/PCN表面.UV-vis DRS表明,由于P的掺杂以及Co(II)的修饰,Co(II)/PCN相比于g-C3N4纳米片在可见光区域光吸收有了明显的增强.通过稳态和瞬态光致发光光谱分析,同时结合电化学分析表征(i-t、EIS)以及电子顺磁共振技术分析,证实了Co(II)/PCN高效光催化性能的原因可能是由于更高效的光生载流子分离效率.本文对Pt/Co(II)/PCN可能的光催化增强机理提出了设想.P的掺杂可以优化g-C3N4的电子结构,提高其光生载流子分离效率.而以Pt作为电子助催化剂,可以有效地捕获P掺杂的g-C3N4导带中的光生电子,进而发生水还原产氢反应;以Co(II)作为空穴助催化剂,可以捕获价带中的光生空穴,进而发生三乙醇胺氧化反应.通过采用不同功能的助催化剂,实现P掺杂g-C3N4光生电子空穴的定向分流,促进了P掺杂g-C3N4的光生载流子的分离,从而提高催化剂的光催化产氢性能.本文可以为设计具有空穴-电子双助催化剂的光催化产氢系统提供一个新的思路.