發(fā)布時(shí)間：2021-06-06 04:46

　　氫能兼具來源廣、燃燒熱值高、能量密度大、產(chǎn)物環(huán)保和零排放等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是一種理想且極具應(yīng)用潛力的化石燃料替代品。發(fā)展氫能源最重要的就是開發(fā)高效低成本的制氫技術(shù),在現(xiàn)有的主流制氫技術(shù)中,電解水制氫以制備條件溫和、生產(chǎn)方式靈活安全、制氫純度高等優(yōu)點(diǎn),受到廣泛關(guān)注。而電極材料是電解水制氫技術(shù)中的核心問題,因此,設(shè)計(jì)開發(fā)高效、廉價(jià)和來源豐富的非貴金屬類催化材料成為氫能研究領(lǐng)域的重要課題。本文采用簡單的水熱-熱解法、微波等離子體法制備了一系列氮摻雜碳材料,并將其作為電極材料,研究了其電化學(xué)析氫性能。主要內(nèi)容如下:首先采用二茂鐵和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為原料,通過簡單可控的水熱法制備氧化鐵納米粒子均勻分散的聚合物凝膠,再在尿素的輔助下高溫?zé)峤庵苽涞獡诫s碳層包覆的碳化鐵（Fe₃C/N-doped carbon）納米粒子。著重探討了熱解溫度對合成的納米粒子的微觀結(jié)構(gòu)和電催化析氫性能的影響,以及氮源投入量對氮摻雜碳層的形成及對電催化析氫性能的影響。當(dāng)熱解溫度為400℃時(shí),產(chǎn)物僅含無定形碳的結(jié)構(gòu),無碳化鐵納米粒子形成,同時(shí)這種結(jié)構(gòu)因暴露出的活性位點(diǎn)有限,表現(xiàn)出較差的電化學(xué)析氫性能;... 

【文章來源】：西南科技大學(xué)四川省

【文章頁數(shù)】：61 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

電解水示意圖

西南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文6圖1-2不同材料吉布斯自由能與交換電流密度的火山圖[19]目前，普遍研究認(rèn)為電極材料表面與Hads相互作用時(shí)的吉布斯自由能決定了HER的反應(yīng)速率。不同金屬催化HER性能的交換電流密度與吉布斯自由能之間的關(guān)系構(gòu)成火山圖模型，符合了Sabatier原理[19][20]，如圖1-2所示，催化材料的催化本質(zhì)由此揭開。如果催化材料表面對Hads的吸附作用力太強(qiáng)，吉布斯自由能較大且小于零。此時(shí)電化學(xué)吸附過程中很容易發(fā)生，但是Heyrovsky或Tafel涉及的Hads脫附過程就會受到抑制；相反，如果催化材料表面對Hads的吸附作用力太弱，吉布斯自由能較大且大于零，導(dǎo)致水合氫離子或者水分子的吸附過程受到阻礙，影響后續(xù)的電化學(xué)脫附過程，進(jìn)而限制整個HER反應(yīng)過程。因此，催化材料與Hads相互作用時(shí)的吉布斯自由能處于趨近于零的最優(yōu)值時(shí)，交換電流密度值最大，擁有最佳的HER催化性能。如貴金屬鉑（Pt）擁有接近于零的吉布斯自由能，表現(xiàn)出最理想的催化性能，被認(rèn)為是商業(yè)催化劑的代表。但其自然稀缺性及高昂的價(jià)格嚴(yán)重制約了Pt基催化劑在氫工業(yè)的商業(yè)應(yīng)用。鑒于此，各國研究者們紛紛依托于納米科學(xué)與技術(shù)開發(fā)吉布斯自由能趨近于零的理想HER催化劑。1.4.2析氫反應(yīng)評價(jià)參數(shù)為了評價(jià)給定催化材料的析氫活性，一些重要的活性評價(jià)參數(shù)需要仔細(xì)研究。比如過電位、電流密度、Tafel斜率、電化學(xué)活性面積以及穩(wěn)定性等。這些活性參數(shù)互相關(guān)聯(lián)，共同反映了催化劑的催化性能和反應(yīng)動力學(xué)等信息，以下簡要介紹這些活性參數(shù)。（1）起始電位及過電位當(dāng)電解反應(yīng)發(fā)生時(shí)，具有明顯陰極電流響應(yīng)時(shí)對應(yīng)的外加電位稱之為起始電位。起始電位約定俗成的定義為電流密度達(dá)到0.5mAcm-2或1.0mAcm-2時(shí)對應(yīng)的電位。

西南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文8劑的常用元素組成，主要集中在貴金屬及其合金，非貴金屬以及無金屬材料（以碳材料為主）三大類[22]。而用于構(gòu)造HER電催化材料的金屬元素豐度分布如圖1-4所示[23]。雖然鉑基納米材料表現(xiàn)出可忽略的過電位被認(rèn)為是商業(yè)HER催化劑的典型代表[24,25]，但Pt的豐度約為3.7*10-6%，比其他非貴金屬小幾個數(shù)量級，這決定了其高昂成本的事實(shí)。同時(shí)，這也是制約電解水制氫大規(guī)模發(fā)展的根本原因。因此，為了降低制氫成本的核心問題，調(diào)控和優(yōu)化貴金屬電子結(jié)構(gòu)、構(gòu)建廉價(jià)過渡金屬以及來源廣泛的非金屬基催化材料等技術(shù)途徑被廣泛研究。圖1-3用于電化學(xué)析氫催化劑的元素分布圖[22]圖1-4用于電化學(xué)析氫催化材料元素的地殼豐度圖[23]

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Cobalt and nitrogen codoped porous carbon as superior bifunctional electrocatalyst for oxygen reduction and hydrogen evolution reaction in alkaline medium[J]. Xiaoxia Chen,Xiangjun Zhen,Hongyu Gong,Le Li,Jianwei Xiao,Zhi Xu,Deyue Yan,Guyu Xiao,Ruizhi Yang.  Chinese Chemical Letters. 2019(03)
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博士論文
[1]中國能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型及可再生能源消納路徑研究[D]. 柳逸月.蘭州大學(xué) 2017

碩士論文
[1]基于雙功能納米電催化劑的可充電鋅空氣電池儲能器件的設(shè)計(jì)與制備[D]. 曹志錢.安徽大學(xué) 2019
[2]鎳基電催化劑的制備及其析氧性能研究[D]. 王帥.西南科技大學(xué) 2019
[3]超納米金剛石/多層石墨烯復(fù)合薄膜的電化學(xué)應(yīng)用研究[D]. 胡冬玲.西南科技大學(xué) 2019
[4]氧化鉬納米復(fù)合材料的制備、表征及其在電解水析氫中的應(yīng)用研究[D]. 李玲.陜西師范大學(xué) 2018
[5]Mo2C（W2C）-碳納米管復(fù)合材料的制備及電催化析氫性能[D]. 姬敏.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2018
[6]MOFs衍生納米催化劑的合成及其電解水性能的研究[D]. 王翔.蘭州大學(xué) 2018
[7]過渡金屬化合物/碳納米纖維復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)催化析氫性能研究[D]. 周宇.東華大學(xué) 2017
[8]過渡金屬磷化物/碳基復(fù)合材料制備及其氫析出性能研究[D]. 沈娟霞.溫州大學(xué) 2016
[9]氮摻雜碳材料的制備及其電化學(xué)性能研究[D]. 馬行宇.中國石油大學(xué)(北京) 2016



本文編號：3213636