隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展,全球能源消耗的快速增長和環(huán)境污染等問題引發(fā)了對可再生清潔能源的迫切需求。由于其高能量密度和對環(huán)境無污染的優(yōu)點,氫氣（H₂）被認(rèn)為是滿足能源需求的、有前景的能源載體。電解水產(chǎn)氫被認(rèn)為是綠色無污染并且潛力巨大的產(chǎn)氫方式之一。電解水包含兩個反應(yīng),析氫反應(yīng)HER和析氧反應(yīng)OER。其中催化劑在電解水反應(yīng)中至關(guān)重要,它可以降低產(chǎn)氫成本并提高制氫效率。在所有催化劑中貴金屬基催化劑Pt和IrO₂、RuO₂等由于其出色的催化性能而在目前的電解水產(chǎn)氫技術(shù)中起著主導(dǎo)作用,但是由于資源有限和價格昂貴限制了其廣泛的應(yīng)用。針對以上問題,本文圍繞非貴金屬催化劑開展如下研究工作:（1）設(shè)計了一種自支撐納米多孔Mo/Mo₂N@Ni₃Mo₃N異質(zhì)復(fù)合材料,基于生長在碳布上的鎳鉬酸銨多酸鹽(（NH₄）₄[NiH₆Mo₆O₂₄]?5H₂O)前驅(qū)體... 

【文章來源】： 于濱 吉林大學(xué)

【文章頁數(shù)】：89 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

水電解中過電位示意圖[25]

第1章緒論5圖1.2（a）HER反應(yīng)在酸性條件下的兩種不同機制；（b）基于金屬元素在酸性條件下的火山圖模型[23]Figure1.2(a)TwodifferentHERmechanismsofcatalystsinacidicelectrolyte;(b)VolcanocurvebasedonmetalelementsfortheacidicHER[23]在中性或堿性電解液中，由于溶液中缺乏H+，因此在第一步的Volmer反應(yīng)過程中由水得到電子分解出自由態(tài)H*和OH-，即H2O+e-=H*+OH-（Volmer）……………………（9）隨后產(chǎn)生的H*會發(fā)生與酸性條件中類似的Heyrowsky反應(yīng)或Tafel反應(yīng)H*+H2O+e-=H2+OH-（Heyrowsky）……………（10）H*+H*=H2（Tafel）………………………（11）在堿性溶液中，“火山”關(guān)系仍然存在，而且氫吸附自由能沒有發(fā)生變化，只有交換電流密度的減少。為了使HER的反應(yīng)速率最大化，必須開發(fā)具有適當(dāng)氫吸附自由能的催化劑。目前非貴金屬催化劑仍然在進一步研究中，火山圖提供了一種直觀的方式來可視化的比較不同金屬的催化活性，通過催化劑表面與中間體的結(jié)合能來比較催化劑的相對性能，有助于指導(dǎo)材料設(shè)計[24]。1.3.3析氧反應(yīng)（OER）的基本原理作為與析氫反應(yīng)（HER）相對應(yīng)的另一極的電極反應(yīng)，析氧反應(yīng)（OER）同樣影響著全分解水的功耗和效率以及產(chǎn)氫的速率，是電解水過程的另一重要組成部分。相比于HER反應(yīng)，OER反應(yīng)是一種緩慢的四電子轉(zhuǎn)移過程，涉及到O-H鍵的斷裂和O-O鍵的形成以及多個表面吸附的中間體（OOH*，O*和OH*）[25]，因此，OER反應(yīng)是一種更復(fù)雜的電催化反應(yīng)。與HER反應(yīng)類似，OER反應(yīng)在不同pH的電解液中反應(yīng)中間體也不盡相同，在酸性溶液中，水被氧化為氫離子和

第1章緒論7圖1.3（a）在酸性（藍線）和堿性（紅線）電解質(zhì)中的OER反應(yīng)過程（黑線和綠線分別表示可能的中間體參與的OER反應(yīng)路線）；（b）基于金屬氧化物的OER火山圖模型[23]Figure1.3(a)TheOERprocessesinacidic(blueline)andalkaline(redline)electrolytes,theblackandgreenlinesindicatethetwopossibleintermidates-involvedOERroutes,respectively;(b)OERvolcanocurvebasedonmetaloxides[23]1.4電催化劑概述在電解水過程發(fā)生的HER反應(yīng)和OER反應(yīng)都需要特定的電催化劑，一方面可以加快反應(yīng)速率，另一方面可以選擇最佳反應(yīng)路徑，從而降低反應(yīng)所需活化能，減少反應(yīng)過程中的能量消耗。為了表現(xiàn)出催化劑性能的好壞，需要一定的指標(biāo)來進行衡量，其中主要包括兩大方面，活性和穩(wěn)定性，活性表現(xiàn)出催化劑的效率，穩(wěn)定性表明催化劑的耐用時間[28]。目前在HER反應(yīng)催化劑中，商用的并且性能非常優(yōu)異的是貴金屬Pt/C；在OER反應(yīng)催化劑中，目前商用并且性能優(yōu)異的是貴金屬氧化物RuO2、IrO2，但是由于Pt、Ru、Ir等貴金屬由于稀缺的資源和昂貴的成本很難進行大規(guī)模的應(yīng)用。因此，許多研究工作致力于研發(fā)低貴金屬甚至無貴金屬基電催化劑以代替商用貴金屬基催化劑，并且取得一定的進展。1.4.1析氫反應(yīng)（HER）催化劑研究進展下面詳細介紹一下各類HER催化劑的發(fā)展。（1）金屬硫化物金屬硫化物由于其優(yōu)異的性能和可調(diào)控的電子結(jié)構(gòu)一直活躍在人們的視野


本文編號：2934549