本文關鍵詞：幾種過渡金屬催化劑的制備及析氧性能研究

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【摘要】：本文基于Ni、Co和Fe基過渡金屬陽極析氧催化劑,構(gòu)建了CoFe_2O_4-CNTs、NiS@N/S-C和Ni_3N@C三種陽極析氧材料,主要目的是為了降低陽極析氧過電位,減少在電解水過程中的能耗,提高能量轉(zhuǎn)換效率。CNTs和原位生成的碳,在催化劑中起到載體、加速電子運輸以及保護納米顆粒的作用,增加水分解析氧反應的動力學速度,提高催化劑的穩(wěn)定性。同時,N、S雜原子的引入對碳載體的吸電子基/供電子基能力起到調(diào)控作用,改善催化劑的導電性能,從而增強材料的析氧電催化活性。通過不同的表征手段對這三種陽極析氧材料的形貌、結(jié)構(gòu)和組成進行了表征,并在電化學工作站上采用三電極體系測定了這三種陽極析氧材料的電化學性能。主要研究內(nèi)容如下:(1)通過水熱法將CoFe_2O_4負載到CNTs的表面,得到了CoFe_2O_4-CNTs納米復合材料。結(jié)果表明:尖晶石CoFe_2O_4納米顆粒被均勻分散在CNTs表面;為了驗證CNTs的作用,我們用TG測試了CNTs的含量為40.2%。在1 M KOH電解液中,對CoFe_2O_4-CNTs納米復合材料的析氧活性與穩(wěn)定性進行了測試。結(jié)果表明,CoFe_2O_4-CNTs納米材料顯示了良好的催化活性,起始電位在1.57 V,CNTs的加入能夠提高CoFe_2O_4納米顆粒的電流密度和催化活性。在10 mA cm-2電流密度下經(jīng)過11小時穩(wěn)定性測試之后,活性并沒有發(fā)生明顯變化,說明催化劑穩(wěn)定性良好。(2)首先,采用回流法制備了含N、S原子的Ni基配合物,然后在NH3氣氛下高溫熱解得到NiS@N/S-C納米復合結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:NiS納米顆粒被均勻分散在原位生成的碳基底上;同時能夠?qū)、S原子摻雜到碳基底上,通過對碳進行結(jié)構(gòu)和電子改性來提升催化劑的活性。在1 M KOH電解液中對NiS@N/S-C納米復合材料的催化活性與穩(wěn)定性進行了測試。實驗結(jié)果表明,NiS@N/S-C納米復合材料展示出了良好的催化活性,起始電位在1.54 V。在10 mA cm-2電流密度下經(jīng)過10小時穩(wěn)定性測試之后,催化劑活性沒有發(fā)生明顯變化。(3)采用一步熱解法制備了Ni_3N@C納米復合材料。結(jié)果表明:Ni_3N納米顆粒分散性較好,且大小均一,直徑在200 nm左右,Ni_3N表面包覆了一層薄薄的碳層;通過mapping驗證了原位生成的碳層分布均一;碳包覆層能傳導電子,并且起到保護Ni_3N,提高催化劑穩(wěn)定性的作用。在1 M KOH電解液中對NiS@N/S-C納米復合材料的活性與穩(wěn)定性進行了測試。結(jié)果顯示,Ni_3N@C具有很好的析氧催化活性,起始電位在1.53 V,電流密度也較高。在10 mA cm-2電流密度下經(jīng)過10小時穩(wěn)定性測試之后,活性能夠很好的保持。
【關鍵詞】：鈷鐵氧化物 硫化鎳 氮化鎳 電催化 析氧反應
【學位授予單位】：石河子大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB33;O643.36
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 文獻綜述10-20
• 引言10
• 1.1 電解水制氫技術(shù)10-11
• 1.2 堿性電解水存在的主要問題11-13
• 1.3 陽極析氧電極材料的研究現(xiàn)狀13-17
• 1.3.1 貴金屬及其氧化物13-14
• 1.3.2 過渡金屬及其合金材料14
• 1.3.3 鈣鈦礦型氧化物14-15
• 1.3.4 尖晶石型氧化物15-16
• 1.3.5 過渡金屬硫化物16
• 1.3.6 過渡金屬氮化物16
• 1.3.7 納米碳材料16-17
• 1.4 析氧電極制備工藝17-18
• 1.4.1 涂覆法17
• 1.4.2 浸漬法17-18
• 1.4.3 電泳沉積法18
• 1.4.4 離子濺射法18
• 1.4.5 原位生長納米電極18
• 1.5 立題依據(jù)和研究內(nèi)容18-20
• 第二章 實驗部分20-23
• 2.1 實驗藥品與儀器20
• 2.2 催化劑的表征20-21
• 2.2.1 X-射線衍射光譜（XRD）20-21
• 2.2.2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）21
• 2.2.3 高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）21
• 2.2.4 X-射線能譜儀（EDS）21
• 2.2.5 X-射線光電能譜（XPS）21
• 2.2.6 熱重分析（TG）21
• 2.2.7 元素分析21
• 2.3 電化學測試21-23
• 第三章 CoFe_2O_4-CNTs納米復合材料的制備和表征23-31
• 3.1 前言23-24
• 3.2 實驗部分24-25
• 3.2.1 CNTs的純化和酸化24
• 3.2.2 CoFe_2O_4催化劑的制備24
• 3.2.3 CoFe_2O_4-CNTs納米復合材料的制備24-25
• 3.3 實驗結(jié)果與討論25-29
• 3.3.1 XRD圖譜分析25-26
• 3.3.2 SEM和EDS分析26
• 3.3.3 TG分析26-27
• 3.3.4 電化學性能測試27-29
• 3.4 本章小結(jié)29-31
• 第四章 NiS@N/S-C納米復合材料的制備和表征31-39
• 4.1 前言31
• 4.2 實驗部分31-32
• 4.2.1 HL配體的合成31-32
• 4.2.2 NiL_2配合物的合成32
• 4.2.3 NiS@N/S-C和N/S-C復合催化劑的制備32
• 4.3 實驗結(jié)果與討論32-38
• 4.3.1 元素分析和TG分析32-33
• 4.3.2 XRD圖譜分析33-34
• 4.3.3 SEM、EDS及TEM分析34-35
• 4.3.4 XPS分析35
• 4.3.5 電化學性能研究35-38
• 4.4 本章小結(jié)38-39
• 第五章 Ni_3N@C納米復合材料的制備和表征39-46
• 5.1 前言39-40
• 5.2 實驗部分40
• 5.3 實驗結(jié)果與討論40-45
• 5.3.1 XRD圖譜分析40
• 5.3.2 SEM分析40-41
• 5.3.3 EDS圖譜和元素映射分析41-42
• 5.3.4 TEM分析42-43
• 5.3.5 XPS分析43-44
• 5.3.6 電化學性能測試44-45
• 5.4 本章小結(jié)45-46
• 第六章 結(jié)論與展望46-48
• 6.1 結(jié)論46-47
• 6.2 展望47-48
• 參考文獻48-58
• 致謝58-59
• 作者簡介59-60
• 導師評閱表60

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本文編號：788990