近半個世紀(jì)來,由于人口增長和工業(yè)發(fā)展導(dǎo)致能源供應(yīng)不足,可再生能源及新型能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的開發(fā)和利用受到越來越多的重視。利用電催化水分解制備氫能被認為是現(xiàn)代清潔能源的重要組成部分之一。其由電催化析氫（HER）和析氧（OER）兩個反應(yīng)組成。鎳、鉬過渡金屬基納米材料由于具有低成本和高催化活性的特點,已經(jīng)被廣泛用于催化各種電化學(xué)反應(yīng)。本論文設(shè)計了一系列鎳、鉬基納米復(fù)合材料,并探究它們的形貌及電子結(jié)構(gòu)對電催化性能的影響。主要研究內(nèi)容為以下三個部分:結(jié)合N、P共摻雜碳和過渡金屬碳化物的優(yōu)點,采用氧化聚合反應(yīng)和碳化處理制備了 MoC基HER電催化劑。憑借碳納米管（CNTs）與原位生成的MoC納米粒子之間的強耦合作用以及金屬MoC與N、P摻雜碳之間的莫特肖特基（Mott-Schottky）效應(yīng),MoC/NPC@CNTs800體現(xiàn)了優(yōu)異的HER性能。電化學(xué)實驗表明,其催化HER僅需要175 mV的過電勢便可提供10mA/cm²的電流密度,并展現(xiàn)出長達12 h的連續(xù)析氫穩(wěn)定性。以界面電子轉(zhuǎn)移為指導(dǎo)思想合成了具有Ni/NiO肖特基（Schottky）界面的UOR電催化劑。在不同碳化溫度下得... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：90 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

典型的尿素輔助電解水電解槽[24]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-3-1.2電解水概述1.2.1電解水發(fā)展歷程氫能作為二十一世紀(jì)最具發(fā)展前景的綠色清潔能源[25]，其制備方法至關(guān)重要。目前常見的制氫方法主要包括化石燃料重整制氫、光解水制氫以及電催化水分解制氫[26]。水電解制氫是一種利用可持續(xù)能源將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的方法，其因具有操作簡便、可控性強及產(chǎn)氫純度高等優(yōu)點而備受青睞。如圖1-2所示，電解水可以從1789年電力被發(fā)現(xiàn)說起[27]。1800年首次證實了水電解生成氫氣和氧氣，其應(yīng)用價值得到認可[28]。1833年，法拉第定律的提出對電解水的概念進行了科學(xué)的界定和認識。1869年格拉姆機的誕生使電解水成為一種廉價的制氫方法。1888年電解水制氫實現(xiàn)工業(yè)化。二十世紀(jì)二三十年代世界各地建造了幾座100兆瓦的大型發(fā)電廠[29]。二十世紀(jì)七十年代發(fā)生的石油能源危機使電解水制氫方法受到關(guān)注，并一直持續(xù)到現(xiàn)在。圖1-2電解水的發(fā)展歷程[30]水電解是一個能源密集型過程，需要輸入電能才能得到氫氣。太陽能和風(fēng)能屬于間歇性可再生能源，水電解法非常適合這些間歇能源。如圖1-3所示，當(dāng)可再生資源能夠滿足供應(yīng)需求時，水電解產(chǎn)生的氫可以用來構(gòu)建燃料電池。隨著太陽能等可再生能源的發(fā)展，它們與電解水的結(jié)合是實現(xiàn)大規(guī)模清潔能源生產(chǎn)的關(guān)鍵。水電解產(chǎn)生1L氫氣理論上需要4.26kWh的電能[31]，因此為降低能耗及生產(chǎn)成本，替代Pt基催化劑的非貴金屬催化劑的研究成為熱點。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-4-圖1-3用于分布式發(fā)電的氫能系統(tǒng)整體概念圖[31]1.2.2電解水基本原理1789年，Troostwijk[27]搭建了世界上第一個具有最簡單結(jié)構(gòu)的水分解電解槽。如圖1-4所示，該電解池由陽極、陰極和電解質(zhì)三部分組成，兩個電極浸在一個單室電解槽的電解液中。水分解包括兩個半反應(yīng)，當(dāng)施加較大的偏壓時，在陰極和陽極分別生成H2和O2。由于其結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)阻低，目前仍在實驗室研究中使用。水分解的過程可以分成陰極HER、陽極OER兩個反應(yīng)。在不同的電解質(zhì)中，雖然總體反應(yīng)是相同的，但陰極和陽極所發(fā)生的反應(yīng)是不一致的。HER和OER在酸性及堿性電解質(zhì)中的反應(yīng)方程式如下：在酸性電解質(zhì)中：陰極：2H++2e-→H2(Ec=0V)（1-1）陽極：H2O→12O2+2H++2e-(Ea=-1.23V)（1-2）在堿性電解質(zhì)中：陰極：2H2O+2e-→H2+2OH-(Ec=-0.83V)（1-3）

【參考文獻】：
期刊論文
[1]電催化析氫、析氧及氧還原的研究進展[J]. 郭亞肖,商昌帥,李敬,汪爾康.  中國科學(xué):化學(xué). 2018(08)
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博士論文
[1]過渡金屬與碳基復(fù)合材料電解水催化劑的優(yōu)化設(shè)計[D]. 汪昌紅.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2019

碩士論文
[1]自支撐NiFe基三維電極的制備及其電催化性能研究[D]. 馬天戈.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2019
[2]過渡金屬（鈷、鎳）基電催化劑的設(shè)計及其在堿性電解水中的應(yīng)用[D]. 何汀.華中科技大學(xué) 2019
[3]三維鎳基磷化物的制備及催化尿素電氧化性能的研究[D]. 王剛.哈爾濱工程大學(xué) 2019
[4]金屬基納米材料的制備及其電解水性能研究[D]. 章夢甜.南昌航空大學(xué) 2018
[5]Mo基碳化物的制備及其電催化水分解性能[D]. 黃晨倩.北京化工大學(xué) 2018
[6]鎳、鈷基納米陣列材料的制備及其電催化性能研究[D]. 郝帥.成都信息工程大學(xué) 2018
[7]雙功能過渡金屬產(chǎn)氫催化劑的制備及其性能研究[D]. 劉丹妮.西南交通大學(xué) 2017
[8]非貴金屬催化劑的設(shè)計及其在電催化水氧化中的性能研究[D]. 徐元子.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017
[9]鎳基硫族納米材料的制備、表征及其電催化產(chǎn)氫應(yīng)用[D]. 唐春.西華師范大學(xué) 2016



本文編號：3004927