隨著全球能源危機與環(huán)境問題日益嚴重,人類對潔凈新能源的需求越來越迫切。氫氣能量密度高、清潔可再生,被認為是代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源的新型能源載體。氫-氧燃料電池作為潔凈發(fā)電技術,其大規(guī)模應用目前仍面臨兩大科學技術挑戰(zhàn),一是陰極氧還原反應（ORR）動力學緩慢,催化劑活性亟需提高;二是缺乏高效潔凈的規(guī)�；茪浞绞健ｋ娊馑茪浼夹g潔凈高效,但電解水反應需要高效的陰極析氫反應（HER）催化劑和陽極析氧反應（OER）催化劑。本論文圍繞電解水制氫及燃料電池涉及的主要電化學反應（HER,OER及ORR）,設計開發(fā)了多種代Pt催化劑,并深入研究了電催化劑的構效關系,主要內容如下:（1）采用溶劑熱法和拓撲磷化相結合的合成方法,制備具有不同粒徑的碳載型CoP納米電催化劑（CoP/C）,并進一步研究CoP/C作為電解水HER電催化劑的粒徑效應。TEM、電化學循環(huán)伏安、阻抗譜、XPS的研究結果表明,在所研究的粒徑范圍內（3-10 nm）,HER在CoP/C表面均遵循Heyrovsky-Volmer機理,并以H_ads脫附為速率控制步驟;CoP對HER的本征催化活性隨其粒徑的增大而增加,主要歸因于C... 

【文章來源】：青島科技大學山東省

【文章頁數(shù)】：87 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

氫能源系統(tǒng)示意圖[7]

符合現(xiàn)代經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的目標。因此，電化學催化制氫技術是制氫的一種的理想途徑。燃料電池技術可以將貯存在氫氣和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，裝置原理上不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉化率高，是被廣泛認可最具發(fā)展前途的能量轉換裝置。所以，氫能和燃料電池技術成為能源技術革命和能源結構變革的重要研究課題，發(fā)展氫能和燃料電池戰(zhàn)略性新興產業(yè)日益成為應對能源環(huán)境問題、保障能源安全和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇，對于我國構建清潔低碳、安全高效的能源體系，進一步推進能源生產和消費的綠色化具有重大意義。圖1.2燃料電池分類及其燃料電池技術的運行溫度、效率、系統(tǒng)復雜性、制造成本和材料成本之間關系趨勢[11]Fig.1.2Fuelcelltypes,showingthegeneraltrendintherelationshipbetweentheoperationtemperature,efficiency,systemcomplexity,fabricationcostandmaterialscostoftheFCtechnologies[11]電化學電解制氫和燃料電池技術中涉及的基礎的電化學過程主要包括氫氣析出反應（HER）、氧氣析出反應（OER）以及氧氣還原反應（ORR）[12]。通常電化學反應遲緩，大部分反應目前商用的催化劑以貴金屬電催化劑為主，但貴金屬價格昂貴且資源有限，制約了電化學電解制氫和燃料電池技術的產業(yè)化發(fā)展。因此亟需開發(fā)廉價，高效及穩(wěn)定的代貴金屬催化劑。下面將分別對非貴金屬析氫電催化劑，非貴金屬析氧電催化劑及非貴金屬氧還原電催化劑進行介紹。1.1非貴金屬析氫電催化劑

青島科技大學研究生學位論文3圖1.3元素周期表中用于構建HER電催化劑的主要元素[5]Fig.1.3ElementsthatareusedforconstructingHERelectrocatalysts[5]目前電催化電解制氫技術占全世界氫燃料的比例較低，限制其發(fā)展的主要問題仍是缺乏有效的代貴金屬催化劑。對電解水制氫技術的經(jīng)濟適用性分析表明，如果用于電解水的電力成本不超過4美分/千瓦時（kWh），同時電解水能量轉換效率高于60%的情況下，電合成法制備H2等產品將具有巨大的市場發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼�，開發(fā)替代貴金屬的電解水催化劑是目前的研究熱點和難點。在元素周期表中常用于構建析氫電催化劑的元素，如圖1.3所示。根據(jù)其物理化學特性，可以分為以下三類：1，貴金屬鉑族催化劑；2，用于構建非貴金屬電催化劑的過渡金屬元素，主要有鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鉬（Mo）和鎢（W）等；3，用于構建非貴金屬電催化劑的非金屬元素，主要有碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）、硼（B）和硒（Se）等[12]。HER為二電子轉移的電化學反應，是基礎電化學反應之一。但其發(fā)展的幾十年來電化學電解制氫的三個基本問題依然存在：1，缺乏高效、穩(wěn)定和低成本的非貴金屬催化劑；2，催化劑的使用壽命尚不能滿足實際應用的要求；3，對于電解水制氫陽極OER反應的過電位大，電解效率低，能耗較大[13]。Pt等貴金屬是目前商用的電解水制氫催化劑，但其資源稀少價格昂貴，制約了其規(guī)�；瘧�。因此，開發(fā)具有低成本、高效和穩(wěn)定的非貴金屬基電催化劑仍是HER反應領域的研究熱點和重點。目前研究較為廣泛的非貴金屬催化劑為過渡金屬與非金屬元素形成的化合物，如碳化物、氮化物、硼化物，硫化物和磷化物等[14-23]。下面以過渡金屬磷化物為例進行詳細介紹。

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3365995