碳基過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合材料的制備及其在電催化領(lǐng)域中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2022-01-01 02:45
電催化反應(yīng)是能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換裝置的核心,其主要包括析氫反應(yīng)（HER）、析氧反應(yīng)（OER）和氧還原反應(yīng)（ORR）,但這些反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)遲緩,需要高效的催化劑加速反應(yīng)的進(jìn)行。本文以三聚氰胺海綿為碳骨架,制備了碳基過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合材料,并考察了其在電催化領(lǐng)域中的應(yīng)用,具體成果如下:1.以三聚氰胺海綿為碳骨架,單寧酸為螯合劑,六水合氯化鐵及六水合氯化鈷為雙金屬源,通過(guò)高溫碳化制備了嵌入鐵鈷合金納米顆粒的氮摻雜碳材料FeCo-TA@CMS,以XRD、SEM、TEM、XPS、Raman和BET等手段對(duì)材料進(jìn)行了表征。2.在堿性條件下測(cè)試FeCo-TA@CMS的HER性能。測(cè)試結(jié)果表明,電流密度為10 mA cm-2時(shí),其過(guò)電勢(shì)為233 mV,且經(jīng)過(guò)1000圈連續(xù)測(cè)試后具有良好穩(wěn)定性,由電化學(xué)活性面積（ECSA）導(dǎo)出其雙電層電容(Cdl)為41.1 mF cm-2,表明其對(duì)催化HER具有高活性。3.在堿性條件下測(cè)試FeCo-TA@CMS的OER性能。測(cè)試結(jié)果表明,其催化OER達(dá)到10 mA cm-2時(shí)所需過(guò)電勢(shì)為380 ...
【文章來(lái)源】：青島科技大學(xué)山東省
【文章頁(yè)數(shù)】：85 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
多種金屬的HER活性火山圖[26]
青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文5氧化過(guò)程與水反應(yīng)失去電子生成MOOH中間體和質(zhì)子，MOOH中間體再與水結(jié)合生成氧氣。與之類(lèi)似，在堿性條件下，M直接與氫氧根反應(yīng)失去電子生成M-OH，M-OH繼續(xù)與氫氧根反應(yīng)失去電子生成M-O及水，最后兩個(gè)M-O直接結(jié)合生成氧氣，或者M(jìn)-O與氫氧根反應(yīng)失去電子生成MOOH中間體，MOOH中間體再與氫氧根結(jié)合生成氧氣。圖1-2多種金屬的OER活性火山圖[29]Fig.1-2ActivityofvariousmetalstowardsOER傳統(tǒng)貴金屬基催化劑（RuO2和IrO2）由于其金屬活性位點(diǎn)對(duì)反應(yīng)中間體達(dá)到較好的吸附與脫附間的平衡，展現(xiàn)了優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，但是在高電位下性能依舊不夠穩(wěn)定[30]，此外，貴金屬的高成本和資源稀缺性也阻礙貴金屬基催化劑的商業(yè)應(yīng)用。非貴金屬及過(guò)渡金屬基催化劑由于價(jià)格低廉，資源相對(duì)豐富，成為貴金屬基催化劑的良好替代品。由圖1-2可以看出，在電流密度為1mAcm-2時(shí)，鎳鐵氧化物和鎳鈷氧化物的過(guò)電勢(shì)較低，且多元金屬催化劑相對(duì)單一金屬組成的催化劑催化效率更高。
青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文7圖1-3多種金屬的ORR活性火山圖[38]Fig.1-3ActivityofvariousmetalstowardsORRORR過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種中間體（如O*，OOH*，OH*），這些中間體在催化劑表面的吸附狀態(tài)會(huì)影響反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，若中間體在電極表面的吸附能力較弱，則不利于電子與質(zhì)子的傳遞，若O*、OOH*等中間體在催化劑表面的吸附能力過(guò)強(qiáng)，則不利于產(chǎn)物的脫附，變相減少了活性位點(diǎn)的數(shù)量，不利于吸附態(tài)氧氣分子的形成[39]。研究人員根據(jù)中間體與催化劑表面結(jié)合能的關(guān)系得出ORR的“火山圖”，由圖1-3可知，從催化活性與結(jié)合能兩方面考慮，貴金屬Pt性能最強(qiáng)。但與HER及OER類(lèi)似，Pt的高成本和資源稀缺性導(dǎo)致其無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用[40]。1.3多功能電催化劑的研究進(jìn)展近年來(lái)，高效的能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)裝置成為科研人員的研究熱點(diǎn)之一。常見(jiàn)的能源轉(zhuǎn)換裝置，如燃料電池、可充電金屬-空氣電池、電解水裝置等都涉及到多個(gè)氧氣與水之間的轉(zhuǎn)換反應(yīng)。如果將單功能催化劑應(yīng)用于包含多個(gè)反應(yīng)的能源轉(zhuǎn)換裝置中，不同催化劑之間可能會(huì)因?yàn)橄嗷プ饔枚l(fā)副反應(yīng)，而且還提高了裝置的成本和安裝難度[41]。多功能催化劑因?yàn)榭梢栽谕粋�(gè)電極上發(fā)生多種反應(yīng)且不會(huì)引發(fā)副反應(yīng)受到科研人員的廣泛關(guān)注。下面將對(duì)多功能催化劑的研究進(jìn)展展開(kāi)介紹。
本文編號(hào)：3561490
【文章來(lái)源】：青島科技大學(xué)山東省
【文章頁(yè)數(shù)】：85 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
多種金屬的HER活性火山圖[26]
青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文5氧化過(guò)程與水反應(yīng)失去電子生成MOOH中間體和質(zhì)子，MOOH中間體再與水結(jié)合生成氧氣。與之類(lèi)似，在堿性條件下，M直接與氫氧根反應(yīng)失去電子生成M-OH，M-OH繼續(xù)與氫氧根反應(yīng)失去電子生成M-O及水，最后兩個(gè)M-O直接結(jié)合生成氧氣，或者M(jìn)-O與氫氧根反應(yīng)失去電子生成MOOH中間體，MOOH中間體再與氫氧根結(jié)合生成氧氣。圖1-2多種金屬的OER活性火山圖[29]Fig.1-2ActivityofvariousmetalstowardsOER傳統(tǒng)貴金屬基催化劑（RuO2和IrO2）由于其金屬活性位點(diǎn)對(duì)反應(yīng)中間體達(dá)到較好的吸附與脫附間的平衡，展現(xiàn)了優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，但是在高電位下性能依舊不夠穩(wěn)定[30]，此外，貴金屬的高成本和資源稀缺性也阻礙貴金屬基催化劑的商業(yè)應(yīng)用。非貴金屬及過(guò)渡金屬基催化劑由于價(jià)格低廉，資源相對(duì)豐富，成為貴金屬基催化劑的良好替代品。由圖1-2可以看出，在電流密度為1mAcm-2時(shí)，鎳鐵氧化物和鎳鈷氧化物的過(guò)電勢(shì)較低，且多元金屬催化劑相對(duì)單一金屬組成的催化劑催化效率更高。
青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文7圖1-3多種金屬的ORR活性火山圖[38]Fig.1-3ActivityofvariousmetalstowardsORRORR過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種中間體（如O*，OOH*，OH*），這些中間體在催化劑表面的吸附狀態(tài)會(huì)影響反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，若中間體在電極表面的吸附能力較弱，則不利于電子與質(zhì)子的傳遞，若O*、OOH*等中間體在催化劑表面的吸附能力過(guò)強(qiáng)，則不利于產(chǎn)物的脫附，變相減少了活性位點(diǎn)的數(shù)量，不利于吸附態(tài)氧氣分子的形成[39]。研究人員根據(jù)中間體與催化劑表面結(jié)合能的關(guān)系得出ORR的“火山圖”，由圖1-3可知，從催化活性與結(jié)合能兩方面考慮，貴金屬Pt性能最強(qiáng)。但與HER及OER類(lèi)似，Pt的高成本和資源稀缺性導(dǎo)致其無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用[40]。1.3多功能電催化劑的研究進(jìn)展近年來(lái)，高效的能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)裝置成為科研人員的研究熱點(diǎn)之一。常見(jiàn)的能源轉(zhuǎn)換裝置，如燃料電池、可充電金屬-空氣電池、電解水裝置等都涉及到多個(gè)氧氣與水之間的轉(zhuǎn)換反應(yīng)。如果將單功能催化劑應(yīng)用于包含多個(gè)反應(yīng)的能源轉(zhuǎn)換裝置中，不同催化劑之間可能會(huì)因?yàn)橄嗷プ饔枚l(fā)副反應(yīng)，而且還提高了裝置的成本和安裝難度[41]。多功能催化劑因?yàn)榭梢栽谕粋�(gè)電極上發(fā)生多種反應(yīng)且不會(huì)引發(fā)副反應(yīng)受到科研人員的廣泛關(guān)注。下面將對(duì)多功能催化劑的研究進(jìn)展展開(kāi)介紹。
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