固液界面氫電極的理論計算模擬及實驗研究
發(fā)布時間：2022-01-06 11:22
當前,能源危機和大氣污染是一個并存的全球性問題,尋找和開發(fā)新能源并將其廣泛應用于實際,是實現世界可持續(xù)發(fā)展的根本方法。燃料電池是新能源研究領域當中最有發(fā)展空間的項目,且氫作為重要能源載體,是“最清潔、無污染”的可持續(xù)循環(huán)利用的燃料。但目前,高效能且環(huán)境友好的制氫方法是電解水,其制備采用的電極材料最廣泛的是貴金屬Pt和Pd。此方法成本較高,且貴金屬稀缺,導致不能大規(guī)模的使用。而催化劑的設計需要對其催化機理有明確的認識。制備出貴金屬催化劑負載量少兼具有高活性和高穩(wěn)定性的催化劑有很重要的應用和學術價值。本文的思路主要是以Pt、Pd和Rh貴金屬為基礎,探究了析氫反應（Hydrogen Evolution Reaction,HER）反應機理,并設計合成路線制備了Rh B NS/C催化劑,研究了其還原劑用量、制備方法及制備條件對催化劑結構和催化性能的影響。主要總結如下:（1）研究了Pt（110）,Pd（110）和Rh（110）在電勢條件下的熱力學和動力學性能。我們計算了不同電勢條件下電勢與表面相的關系,計算結果顯示隨著電勢的降低,表面覆蓋度逐漸增加。Pt（110）,Pd（110）和Rh（110）在...
【文章來源】：上海應用技術大學上海市
【文章頁數】：57 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
燃料電池工作原理圖[11]
性能，使用壽命長的陰極電催化劑，成為了當前研究人員的研究方向之一。1.3陰極電催化劑當今，人們所使用的能源依然是化石燃料占主體部分，這也是導致環(huán)境大氣污染無法得到改善的原因。由此，應運而生的可再生新能源，即如燃料電池就得到了研究人員的關注，因其發(fā)展空間巨大且應用十分廣泛。同時，因燃料電池的原材料必須達到清潔和零污染的要求具有高能量密度和天然耐受性的H2燃料進入人們的眼簾。因此，被認為是用于可再生能源應用的最有前景的化學燃料，對于制備它所用的催化劑的研究也成為一個研究的重點[13-15]。圖1.2電解水工作原理圖[18]Fig.1.2Electrolyticwaterworkingprinciplediagram[18]目前，我們所知道的制備氫氣的方法有：煤制氫、生物制氫、電解水和烴類制氫等等。其中，電解水的方法最為清潔，無污染，其工作原理如圖1.2。并且電解水析氫反應（HER）是氫氧燃料電池HOR過程的逆過程[16]。但是，因其過電勢的存在，導致該反應耗能巨大，需要有優(yōu)良的電催化材料。在傳統(tǒng)的制氫反應中，陰極材料所用的催化劑是一些貴金屬或者是貴金屬合金，其中應用最為廣泛的是以Pt作為陰極催化劑。然而，由于近幾年貴金屬價格的連年上漲和在使用電極催化劑材料過程中的損失，從而限制了該類電極材料的發(fā)展[17]。因此，當前我們主要的研究是從催化劑方向出發(fā)，尋找到具有高效催化活性且價格低廉的催化劑，從而使得燃料電池的發(fā)展邁向更大的一步。當前，電極催化劑大多采用的是貴金屬材料�？蒲腥藛T的研究是為了提高催化劑效率，并降低生產成本，從而達到商業(yè)化用于實際生產。于是，人們對催化劑材料及其催
在實驗上，人們合成了一系列新型催化劑材料，并對其結構和催化效果進行了表征和測試。同時，從實驗上探討了氫氣、甲醛和甲酸等小分子在合成催化劑表面的氧化還原反應行為。在理論上，研究人員主要針對金屬結構與性能關系的研究，特別是催化劑表面上的原子和電子結構的物理和化學性能研究，達到對所需功能材料的“裁剪設計”，從而為實驗的開展提供理論基礎[18]。據了解，電催化材料的研究主要分為兩大類：第一類是ORR催化材料，主要是以酞菁化合物為基礎去改善合成條件，從而提高催化材料；另一類是HER催化材料，具體分類見圖1.3。圖1.3電極催化材料的分類Figure1.3Classificationofelectrodecatalyticmaterials1.3.1非貴金屬復合催化劑目前市場上，電極材料所用的催化劑應用最廣泛的仍然是價格不菲的Pt和Pt基合金等貴金屬，而因其價格昂貴且稀少，限制了大規(guī)模生產應用。因此，人們努力地尋找旨在克服傳統(tǒng)催化劑的高超電勢和長期穩(wěn)定性問題的非貴金屬催化劑[19-22]。研究人員以Fe，Co，Ni等為基礎的過渡金屬復合材料合成了一系列新型催化劑材料，并對其結構和催化效果進行了表征和測試。同時也對其結構和催化機理進行了理論探究。據報道，Fe/N/C催化劑是作為具有代表性的非貴金屬電催化還原催化劑，它可能具有與Pt競爭的催化性能。研究人員對其性質進行了探究，特別是在活性位點結構和電催化動力學上。Sun等人[23]基于第一原理計算出Fe/N/C催化劑在酸性條件下的四個電子（4e）和兩個電子（2e）氧還原途徑。以Fe(CN)N4催化劑為例，其中心動力學均首選4e途徑。計算結果表明，OOH的O-OH鍵斷裂是關鍵的動力學步驟，它是Fe(CN)N4中心的速率決定步驟。并得出了Fe/N/C催化劑的活性中心為五個配位的Fe中心，O-OH鍵斷裂步驟的勢壘對電勢不敏感，且預測
【參考文獻】：
期刊論文
[1]原位生長Pd/Ni（OH）2/NF復合催化劑及其析氫性能[J]. 吳昱,羅鍵. 物理化學學報. 2016(11)
[2]雙極界面聚合物膜燃料電池研究進展[J]. 盧善富,彭思侃,相艷. 物理化學學報. 2016(08)
[3]近年全球鉑族金屬資源及鉑、鈀、銠供需狀況淺析[J]. 董海剛,汪云華,范興祥,李柏榆. 資源與產業(yè). 2012(02)
[4]殼聚糖鈀催化劑對環(huán)戊二烯選擇氫化的催化作用研究[J]. 宋立民,李繼平,張淑娟. 遼寧化工. 2002(01)
本文編號：3572358
【文章來源】：上海應用技術大學上海市
【文章頁數】：57 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
燃料電池工作原理圖[11]
性能，使用壽命長的陰極電催化劑，成為了當前研究人員的研究方向之一。1.3陰極電催化劑當今，人們所使用的能源依然是化石燃料占主體部分，這也是導致環(huán)境大氣污染無法得到改善的原因。由此，應運而生的可再生新能源，即如燃料電池就得到了研究人員的關注，因其發(fā)展空間巨大且應用十分廣泛。同時，因燃料電池的原材料必須達到清潔和零污染的要求具有高能量密度和天然耐受性的H2燃料進入人們的眼簾。因此，被認為是用于可再生能源應用的最有前景的化學燃料，對于制備它所用的催化劑的研究也成為一個研究的重點[13-15]。圖1.2電解水工作原理圖[18]Fig.1.2Electrolyticwaterworkingprinciplediagram[18]目前，我們所知道的制備氫氣的方法有：煤制氫、生物制氫、電解水和烴類制氫等等。其中，電解水的方法最為清潔，無污染，其工作原理如圖1.2。并且電解水析氫反應（HER）是氫氧燃料電池HOR過程的逆過程[16]。但是，因其過電勢的存在，導致該反應耗能巨大，需要有優(yōu)良的電催化材料。在傳統(tǒng)的制氫反應中，陰極材料所用的催化劑是一些貴金屬或者是貴金屬合金，其中應用最為廣泛的是以Pt作為陰極催化劑。然而，由于近幾年貴金屬價格的連年上漲和在使用電極催化劑材料過程中的損失，從而限制了該類電極材料的發(fā)展[17]。因此，當前我們主要的研究是從催化劑方向出發(fā)，尋找到具有高效催化活性且價格低廉的催化劑，從而使得燃料電池的發(fā)展邁向更大的一步。當前，電極催化劑大多采用的是貴金屬材料�？蒲腥藛T的研究是為了提高催化劑效率，并降低生產成本，從而達到商業(yè)化用于實際生產。于是，人們對催化劑材料及其催
在實驗上，人們合成了一系列新型催化劑材料，并對其結構和催化效果進行了表征和測試。同時，從實驗上探討了氫氣、甲醛和甲酸等小分子在合成催化劑表面的氧化還原反應行為。在理論上，研究人員主要針對金屬結構與性能關系的研究，特別是催化劑表面上的原子和電子結構的物理和化學性能研究，達到對所需功能材料的“裁剪設計”，從而為實驗的開展提供理論基礎[18]。據了解，電催化材料的研究主要分為兩大類：第一類是ORR催化材料，主要是以酞菁化合物為基礎去改善合成條件，從而提高催化材料；另一類是HER催化材料，具體分類見圖1.3。圖1.3電極催化材料的分類Figure1.3Classificationofelectrodecatalyticmaterials1.3.1非貴金屬復合催化劑目前市場上，電極材料所用的催化劑應用最廣泛的仍然是價格不菲的Pt和Pt基合金等貴金屬，而因其價格昂貴且稀少，限制了大規(guī)模生產應用。因此，人們努力地尋找旨在克服傳統(tǒng)催化劑的高超電勢和長期穩(wěn)定性問題的非貴金屬催化劑[19-22]。研究人員以Fe，Co，Ni等為基礎的過渡金屬復合材料合成了一系列新型催化劑材料，并對其結構和催化效果進行了表征和測試。同時也對其結構和催化機理進行了理論探究。據報道，Fe/N/C催化劑是作為具有代表性的非貴金屬電催化還原催化劑，它可能具有與Pt競爭的催化性能。研究人員對其性質進行了探究，特別是在活性位點結構和電催化動力學上。Sun等人[23]基于第一原理計算出Fe/N/C催化劑在酸性條件下的四個電子（4e）和兩個電子（2e）氧還原途徑。以Fe(CN)N4催化劑為例，其中心動力學均首選4e途徑。計算結果表明，OOH的O-OH鍵斷裂是關鍵的動力學步驟，它是Fe(CN)N4中心的速率決定步驟。并得出了Fe/N/C催化劑的活性中心為五個配位的Fe中心，O-OH鍵斷裂步驟的勢壘對電勢不敏感，且預測
【參考文獻】：
期刊論文
[1]原位生長Pd/Ni（OH）2/NF復合催化劑及其析氫性能[J]. 吳昱,羅鍵. 物理化學學報. 2016(11)
[2]雙極界面聚合物膜燃料電池研究進展[J]. 盧善富,彭思侃,相艷. 物理化學學報. 2016(08)
[3]近年全球鉑族金屬資源及鉑、鈀、銠供需狀況淺析[J]. 董海剛,汪云華,范興祥,李柏榆. 資源與產業(yè). 2012(02)
[4]殼聚糖鈀催化劑對環(huán)戊二烯選擇氫化的催化作用研究[J]. 宋立民,李繼平,張淑娟. 遼寧化工. 2002(01)
本文編號：3572358
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