發(fā)布時(shí)間：2022-01-06 11:22

　　當(dāng)前,能源危機(jī)和大氣污染是一個(gè)并存的全球性問題,尋找和開發(fā)新能源并將其廣泛應(yīng)用于實(shí)際,是實(shí)現(xiàn)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(lǐng)域當(dāng)中最有發(fā)展空間的項(xiàng)目,且氫作為重要能源載體,是“最清潔、無(wú)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(dǎo)致不能大規(guī)模的使用。而催化劑的設(shè)計(jì)需要對(duì)其催化機(jī)理有明確的認(rèn)識(shí)。制備出貴金屬催化劑負(fù)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(yīng)用和學(xué)術(shù)價(jià)值。本文的思路主要是以Pt、Pd和Rh貴金屬為基礎(chǔ),探究了析氫反應(yīng)（Hydrogen Evolution Reaction,HER）反應(yīng)機(jī)理,并設(shè)計(jì)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(duì)催化劑結(jié)構(gòu)和催化性能的影響。主要總結(jié)如下:（1）研究了Pt（110）,Pd（110）和Rh（110）在電勢(shì)條件下的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。我們計(jì)算了不同電勢(shì)條件下電勢(shì)與表面相的關(guān)系,計(jì)算結(jié)果顯示隨著電勢(shì)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(yīng)用技術(shù)大學(xué)上海市

【文章頁(yè)數(shù)】：57 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

燃料電池工作原理圖[11]

性能，使用壽命長(zhǎng)的陰極電催化劑，成為了當(dāng)前研究人員的研究方向之一。1.3陰極電催化劑當(dāng)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(dǎo)致環(huán)境大氣污染無(wú)法得到改善的原因。由此，應(yīng)運(yùn)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(guān)注，因其發(fā)展空間巨大且應(yīng)用十分廣泛。同時(shí)，因燃料電池的原材料必須達(dá)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(jìn)入人們的眼簾。因此，被認(rèn)為是用于可再生能源應(yīng)用的最有前景的化學(xué)燃料，對(duì)于制備它所用的催化劑的研究也成為一個(gè)研究的重點(diǎn)[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(wú)污染，其工作原理如圖1.2。并且電解水析氫反應(yīng)（HER）是氫氧燃料電池HOR過程的逆過程[16]。但是，因其過電勢(shì)的存在，導(dǎo)致該反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jià)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(dāng)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(jià)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(dāng)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(chǎn)成本，從而達(dá)到商業(yè)化用于實(shí)際生產(chǎn)。于是，人們對(duì)催化劑材料及其催

在實(shí)驗(yàn)上，人們合成了一系列新型催化劑材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和催化效果進(jìn)行了表征和測(cè)試。同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)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(yīng)行為。在理論上，研究人員主要針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究，特別是催化劑表面上的原子和電子結(jié)構(gòu)的物理和化學(xué)性能研究，達(dá)到對(duì)所需功能材料的“裁剪設(shè)計(jì)”，從而為實(shí)驗(yàn)的開展提供理論基礎(chǔ)[18]。據(jù)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(chǔ)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?gòu)?fù)合催化劑目前市場(chǎng)上，電極材料所用的催化劑應(yīng)用最廣泛的仍然是價(jià)格不菲的Pt和Pt基合金等貴金屬，而因其價(jià)格昂貴且稀少，限制了大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)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(shì)和長(zhǎng)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(chǔ)的過渡金屬?gòu)?fù)合材料合成了一系列新型催化劑材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和催化效果進(jìn)行了表征和測(cè)試。同時(shí)也對(duì)其結(jié)構(gòu)和催化機(jī)理進(jìn)行了理論探究。據(jù)報(bào)道，F(xiàn)e/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(jìng)爭(zhēng)的催化性能。研究人員對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行了探究，特別是在活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)和電催化動(dòng)力學(xué)上。Sun等人[23]基于第一原理計(jì)算出Fe/N/C催化劑在酸性條件下的四個(gè)電子（4e）和兩個(gè)電子（2e）氧還原途徑。以Fe(CN)N4催化劑為例，其中心動(dòng)力學(xué)均首選4e途徑。計(jì)算結(jié)果表明，OOH的O-OH鍵斷裂是關(guān)鍵的動(dòng)力學(xué)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(gè)配位的Fe中心，O-OH鍵斷裂步驟的勢(shì)壘對(duì)電勢(shì)不敏感，且預(yù)測(cè)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]原位生長(zhǎng)Pd/Ni（OH）2/NF復(fù)合催化劑及其析氫性能[J]. 吳昱,羅鍵.  物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2016(11)
[2]雙極界面聚合物膜燃料電池研究進(jìn)展[J]. 盧善富,彭思侃,相艷.  物理化學(xué)學(xué)報(bào). 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(chǎn)業(yè). 2012(02)
[4]殼聚糖鈀催化劑對(duì)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)



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