發(fā)布時間：2020-06-08 16:22

【摘要】：化石能源的過度開采及其導致的污染問題己經(jīng)成為當今世界上困擾人類的主要難題之一,由于傳統(tǒng)的一次能源不可再生且能量轉換效率低,明顯無法滿足飛速發(fā)展中的現(xiàn)代社會的耗能需求。新型氫能源作為清潔新能源研究領域的代表,其開發(fā)正受到科學界的廣泛關注。氫氣的制備途徑有很多,其中,電解水正是其中一種熱門的獲取氫能源的途徑。但是直接電解水需要跨過很高的能壘,并且,目前大部分的催化劑都只是集中于析氫或析氧的半反應的催化劑的研究,這兩個反應的催化劑通常在不同的介質中表現(xiàn)出高活性,或者當相同電解質溶液中配對兩種類型的催化劑時,不兼容的集成導致整體水電解的效率降低。所以,開發(fā)可在同一電解液中高效分解水生成氫氧氣的新型雙功能電催化劑是當今研究的重點。高效的電催化劑具有如下特點:本征活性高、電子狀態(tài)調制到最佳、電解液與催化劑能較大程度接觸、電子能較快傳導。在本文中針對以上問題以及策略設計了鐵摻雜的釩酸鈷Co_(3(1-x))Fe_(3x)V_20_8(x=0～0.9)以及釩酸鈷與二硫化鉬納米陣列復合材料Co_3V_2O_8/MoS_2/CC,并且對各材料的催化電解水性能進行測試。具體研究內容如下:1、通過一步法,通過添加不同摩爾比例的鐵和鈷,合成一系列不同的鐵摻雜量的釩酸鈷(Co_(3(1-x))Fe_(3x)V_2O_8),并對系列材料進行結構與電催化性能的表征。通過一定量Fe摻雜,優(yōu)化了材料的的電子結構,從而影響催化活性。由電化學測試結果可知,Co_(3(1-x))Fe_(3x)V_2O_8作為析氧催化劑,其電催化性能滿足類似火山型曲線規(guī)則,Co_1.5Fe_1.5V_2O_8擁有最優(yōu)的析氧性能,260 mV的起始電位,塔菲爾斜率為32.8 mV dec-1。并且Co_1.5Fe_1.5V_2O_8作為析氫催化劑時,也只需較低的過電勢。將Co_1.5Fe_1.5V_2O_8應用于兩電極全水解時,在1.59 V(vs.RHE)時電極開始發(fā)生全電解反應,當電流密度達到10 mA cm-2時只需電壓約1.66 V。Co_1.5Fe_1.5V_2O_8作為陰陽極進行的全水解穩(wěn)定性測試,長時間的穩(wěn)定性測期間體系保持穩(wěn)定的電流密度,穩(wěn)定性測試后其結構不發(fā)生改變。2、通過兩步法,在碳布上原位合成Co_3V_2O_8/MoS_2納米復合物陣列(Co_3V_2O_8/MoS_2/CC),并對材料的電催化析氧析氫性能進行研究。首先,通過水熱法在碳布基底上原位垂直生長MoS_2納米片陣列(MoS_2/CC),接著在較為溫和的水熱條件下進行第二步生長,也就是在MoS_2/CC上繼續(xù)原位生長Co_3V_2O_8納米顆粒,即Co_3V_2O_8/MoS_2/CC。通過構筑這樣的特殊形貌界面,暴露更多的活性位點,與電解液充分的接觸,協(xié)同催化電解水。電催化測試表明,Co_3V_2O_8/MoS_2/CC復合物納米片陣列在堿性環(huán)境中擁有良好的析氫析氧催化活性,在較低的過電位下能穩(wěn)定高效地工作。并且在雙電極全解水測試中,展現(xiàn)了優(yōu)越的催化活性,以及持續(xù)高效的穩(wěn)定性。
【圖文】：

在陽極上發(fā)生氧化反應產(chǎn)生０２。整個電解過程對于碳氮硫氧化物并無排放，更逡逑重要的是通過電解水制得的氫氣和氧氣純度很高。通常，為了增強溶液導電性，提高逡逑電解效率，往往在純水中加入不參與反應卻能提高導電效率的電解質。圖１－１為一套逡逑電解水的系統(tǒng)％。逡逑ＤＣ邋Ｐｏｗｅｒ逡逑Ｉ邐１１邋Ｉ－－邋Ｉ￣￣＾逡逑＇？ＭＷ逡逑Ｏｘｙｇｅｎ邋Ｒｅｃｅｉｖｅｒ邋＋邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋Ｆｌｏｗ邋Ｈｙｄｒｏｇｅｎ邋Ｒｅｃｅｉｖｅｒ逡逑邐４邐Ｉ邋Ｉ邐，邐Ｉ邋Ｉ邐．）邐逡逑個邐丨邐八逡逑0＂邋ｑ邐ｒ邐—逡逑？邋ｄ0２邐Ｉ邐ｈ２°0０邋0邐。逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋０邋°邐Ｏ000邋Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ逡逑0邐Ｏ邐丨邐０0邐０邋Ｏ逡逑％邋T邋丨ｓ。。邐０逡逑ｏ邋°邐ｏ邋邐邐，１邐0邐°逡逑0邋0邋０邋ＯＨ－邋Ｈ＋邋°逡逑0邐0邋ｌ－＾ｚ＝ｄ邋Ｉ邐0邐0逡逑Ａｎｔ４ｅ—邐＾Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑Ｄｉａｐｈｒａｇｍ逡逑圖１－１電催化分解水系統(tǒng)的示意圖。逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ａ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａ邋ｗａｔｅｒ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ邋ｓｙｓｔｅｍ［１６］．逡逑２逡逑

１．３．１析氧反應催化劑逡逑火山型曲線圖（ｖｏｌｃａｎｏ邋ｐｌｏｔｓ）代表的是吉布斯自由能（ＡＧ0＊－ＡＧ0ｈ＊）與過電位的關逡逑系，可從中對比出不同氧析出電催化劑的活性（如圖１－２）。左枝依次上升，代表著材料逡逑的性能依次增加，在頂尖處的材料析氧性能達到最優(yōu)，右枝下降過程也代表著性能逐逡逑漸下降。在圖１－２中，處于頂尖位置的大多是Ｐｔ，邋Ｉｒ，Ｒｕ等貴金屬以及Ｃｏ，邋Ｎｉ，Ｍｎ逡逑等過渡金屬。然而，在電解水陽極析氧的過程，催化析氧電位是要高于氧的平衡電位逡逑的，在酸性電解質里更是如此。并且，從熱力學的角度出發(fā)，許多金屬氧化物是不穩(wěn)逡逑定的，會被溶解。故而，，能穩(wěn)定在酸性電解質中的氧氣析出反應催化劑有：貴金屬中逡逑的Ｒｕ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔ等的單質及化合物。由于極化作用在堿性電解質中表現(xiàn)的相對較逡逑弱，所以例如Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等過渡金屬能在其中穩(wěn)定存在。我們將用于析氧反應的貴逡逑金屬及過渡金屬化合物的電催化劑研宄作介紹。逡逑在貴金屬應用于電催化析氧反應初期，主要是貴金屬單質，在酸性電解質中，催逡逑化析氧能力的貴金屬單質大小順序為釕＞銥＞鈀＞銠＞鈿［２９】。如圖ｌ－３（ａ）［３Ｑ］所示
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;O644.1

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本文編號：2703333