本文關(guān)鍵詞：磷化處理過(guò)渡金屬鉬酸鹽電解水電極的研究

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【摘要】：發(fā)展以氫能為代表的清潔、高效、可持續(xù)的新能源對(duì)人類(lèi)的發(fā)展具有特別重要的意義。在眾多種制氫方法中,電解水因制氫工藝簡(jiǎn)單、效率高以及氣體純度高而具有廣闊的開(kāi)發(fā)利用前景。電解水主要包括兩個(gè)過(guò)程,即:陰極析氫和陽(yáng)極析氧過(guò)程。由于兩極的析氣過(guò)電位過(guò)高,因此電解水電能消耗巨大,成本居高不下。當(dāng)前,優(yōu)異的析氫與析氧催化劑均為貴金屬材料,但其有限的儲(chǔ)量、昂貴的價(jià)格使其難以商業(yè)化,因此開(kāi)發(fā)高效的非貴金屬析氫和析氧催化材料顯得十分必要。針對(duì)上述問(wèn)題,本論文制備了一種既能析氫又能析氧的雙功能非貴金屬電極,并對(duì)其進(jìn)行了一系列的物理和電化學(xué)性質(zhì)研究,具體內(nèi)容如下:(1)利用水熱法在泡沫鎳表面原位生長(zhǎng)了一層鉬酸鎳前驅(qū)物,繼而將其低溫磷化處理。由本文探究的最佳制備條件得到的磷化處理的鉬酸鎳為半圓球形的“花球”狀結(jié)構(gòu),其由獨(dú)特的納米長(zhǎng)方體構(gòu)成。XRD結(jié)果顯示,鉬酸鎳前驅(qū)體經(jīng)磷化處理后所得材料的晶形變差,鉬酸鎳的衍射峰基本消失,進(jìn)而出現(xiàn)Ni2P4O12,但無(wú)明確的含鉬物種的特征衍射峰。這可能是由于磷化處理的鉬酸鎳體系中形成了非晶態(tài)的低價(jià)態(tài)氧化鉬。進(jìn)一步地XPS表征可以證明磷化處理的鉬酸鎳體系的含磷物種主要為磷化物、磷酸鹽和氧化磷三種。研究還發(fā)現(xiàn)電化學(xué)活化操作能明顯影響材料的形貌、組成以及電化學(xué)活性。當(dāng)該電極材料經(jīng)電化學(xué)活化后:1)納米長(zhǎng)方體表面粗糙化,從而使內(nèi)部活性物種暴露出來(lái),同時(shí)也增大了電極的活性比表面積(13.6%);2)活化后的磷化處理的鉬酸鎳表面的部分Ni2+被氧化成Ni3+,形成了鎳的氫氧化物;3)電化學(xué)活化操作也增強(qiáng)了電極的導(dǎo)電能力。值得注意的是,雖然電極表面被電化學(xué)活化,但磷化處理后催化劑表面出現(xiàn)的適量磷酸鹽可充當(dāng)保護(hù)劑以增強(qiáng)電極的穩(wěn)定性。結(jié)合以上優(yōu)點(diǎn),經(jīng)活化后的電極材料能表現(xiàn)出較高的析氫活性和較好的穩(wěn)定性。(2)采用實(shí)驗(yàn)所探究出的最佳條件制備出了磷化處理的不同過(guò)渡金屬鉬酸鹽電極材料并考查了這幾種材料的析氫和析氧性能。電化學(xué)測(cè)試表明,析氫性能最好的為磷化處理的鉬酸鎳電極,磷化處理的鉬酸鈷電極其次,磷化處理的鉬酸亞鐵與鉬酸錳電極較差;析氧性能最好的為磷化處理的鉬酸鎳電極,磷化處理的鉬酸鈷電極其次。磷化處理的鉬酸鎳電極能表現(xiàn)出較好的析氫和析氧性能主要是因?yàn)槠浠钚员缺砻娣e較大以及電荷轉(zhuǎn)移電阻較小。此外,基于磷化處理的鉬酸鎳電極,我們探究了電極材料形貌(納米線vs.納米長(zhǎng)方體)對(duì)析氫活性的影響。研究表明,納米長(zhǎng)方體電極材料的析氫活性要好于納米線電極材料。為考查磷化處理的鉬酸鎳電極在工業(yè)上的應(yīng)用潛力,我們進(jìn)一步測(cè)試了該電極材料在6.0 M NaOH溶液中的析氫活性。結(jié)果表明,該電極材料達(dá)到100 mA/cm2的電流密度時(shí)僅需94 mV過(guò)電位,與其它電極材料相比,該電極材料在工業(yè)應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯。為了更接近工業(yè)實(shí)際,按照相同的實(shí)驗(yàn)條件,我們以斜拉網(wǎng)為基底制備了磷化鉬酸鎳/斜拉網(wǎng)電極材料,研究表明該電極材料依然能表現(xiàn)出較好的析氫活性,這進(jìn)一步地證明了該電極材料的工業(yè)應(yīng)用前景廣闊。
【關(guān)鍵詞】：氫能 析氫 析氧 磷化處理 鉬酸鎳
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O646;TQ116.2
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 緒論9-25
• 1.1 氫的應(yīng)用與制取9-12
• 1.1.1 氫的應(yīng)用9-10
• 1.1.2 氫的制取10-12
• 1.2 電解水制氫12-15
• 1.2.1 析氫反應(yīng)與機(jī)理13-14
• 1.2.2 催化析氫性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)14-15
• 1.3 析氫電極15-20
• 1.3.1 析氫電極的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3.2 析氫催化劑的類(lèi)別16-20
• 1.4 析氫材料催化析氧的可行性20-22
• 1.4.1 析氧催化劑的研究進(jìn)展及其反應(yīng)機(jī)理20-21
• 1.4.2 析氫與析氧雙功能催化材料21-22
• 1.5 本論文的研究?jī)?nèi)容及意義22-25
• 2 實(shí)驗(yàn)部分25-27
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與材料25
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器25-26
• 2.3 電極的表征方法26-27
• 2.3.1 電化學(xué)性能表征26
• 2.3.2 物理表征26-27
• 3 磷化處理鉬酸鎳電極的制備與活性測(cè)試27-49
• 3.1 引言27-28
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分28-29
• 3.2.1 磷化處理鉬酸鎳電極的制備28-29
• 3.2.2 電化學(xué)測(cè)試和結(jié)構(gòu)表征29
• 3.3 結(jié)果與討論29-47
• 3.3.1 磷化處理鉬酸鎳電極的制備條件優(yōu)化29-37
• 3.3.2 磷化鉬酸鎳電極的析氫活性位點(diǎn)的探究37-46
• 3.3.3 磷化處理的鉬酸鎳電極的穩(wěn)定性測(cè)試46-47
• 3.4 本章小結(jié)47-49
• 4 不同過(guò)渡金屬鉬酸鹽電極的制備與催化活性測(cè)試49-61
• 4.1 引言49
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分49-50
• 4.2.1 磷化處理不同金屬鉬酸鹽電極49
• 4.2.2 電化學(xué)測(cè)試和結(jié)構(gòu)表征49-50
• 4.3 結(jié)果與討論50-57
• 4.3.1 不同金屬鉬酸鹽的表面形貌表征50
• 4.3.2 磷化不同金屬鉬酸鹽電極的XRD分析50-51
• 4.3.3 磷化不同金屬鉬酸鹽電極的析氫活性測(cè)試51-55
• 4.3.4 磷化處理的鉬酸鹽電極的析氧性能測(cè)試55
• 4.3.5 磷化鉬酸鎳納米線電極的析氫活性測(cè)試55-57
• 4.4 強(qiáng)堿溶液測(cè)試57-59
• 4.4.1 磷化處理的鉬酸鎳電極在強(qiáng)堿性溶液中析氫活性測(cè)試57
• 4.4.2 斜拉網(wǎng)基底負(fù)載磷化處理的鉬酸鎳電極的析氫活性測(cè)試57-59
• 4.5 本章小結(jié)59-61
• 5 結(jié)論61-63
• 致謝63-65
• 參考文獻(xiàn)65-75
• 附錄 A．碩士研究生期間的科研成果75

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