本文關(guān)鍵詞：基于普魯士藍(lán)類配合物的水氧化電催化劑的制備與性能研究

  更多相關(guān)文章： 水氧化反應(yīng) 電催化劑 普魯士藍(lán)類配合物 金屬氧化物 催化活性

【摘要】：水氧化反應(yīng)(WOR)是水分解制氫的控制步驟,其緩慢的動(dòng)力學(xué)是阻礙可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能的主要因素之一。為降低WOR的過(guò)電位,大量的研究致力于開(kāi)發(fā)高效的電催化劑。在過(guò)去幾十年里,研究發(fā)現(xiàn)除貴金屬催化劑外,含過(guò)渡金屬Co、Ni、Mn、Fe或Cu等元素的化合物對(duì)WOR有可觀的電催化活性。要實(shí)現(xiàn)催化劑的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用,除高催化活性外,還應(yīng)考慮催化劑的制備成本、工藝條件及穩(wěn)定性等。因此,本論文旨在尋找一種操作簡(jiǎn)單、條件溫和的合成方法制備系列具有高WOR催化活性的過(guò)渡金屬化合物催化劑。本文以過(guò)渡金屬鹽、K3[Fe(CN)6]和K3[Co(CN)6]為原料,通過(guò)二價(jià)金屬離子與[M'(CN)6]3離子在水溶液中的自組裝作用合成了系列M3[Fe(CN)6]2(M-Fe,M=Co、Ni、 CoNi)和M3[Co(CN)6]2(M-Co,M=Co、Ni、Fe、Mn、Zn、Cu)普魯士藍(lán)類配合物(PBA),并經(jīng)后續(xù)熱處理制備混合金屬氧化物。采用TGA、XRD、FTIR、SEM、EDS與XPS等表征手段分析了熱分解過(guò)程中不同樣品的組成、結(jié)構(gòu)、形貌和價(jià)態(tài)的變化,從而系統(tǒng)研究不同退火溫度對(duì)產(chǎn)物物理化學(xué)狀態(tài)的影響。結(jié)果顯示,PBA的熱分解包括分子內(nèi)結(jié)晶水的蒸發(fā)和元素氧化兩個(gè)過(guò)程,氧化溫度在300℃左右,產(chǎn)物為MO/MFe2O4(或MCo2O4)混合物。研究過(guò)程中,分別采用循環(huán)伏安法(CV)和計(jì)時(shí)電流法評(píng)估催化劑的水氧化電催化活性和穩(wěn)定性。結(jié)果表明,Ni、Fe、Co-Co、Ni-Co與Cu-Co樣品對(duì)WOR有較高催化活性,其中,Cu-Co PBA經(jīng)300℃退火處理后催化活性最好,在中性條件下電流密度1 mA/cm2時(shí)的過(guò)電位為395 mV,堿性條件下電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的過(guò)電位為477 mV(0.1 M KOH)和379 mV(1 MKOH)。同時(shí),采用CV法測(cè)量了催化電極的雙電層電容并計(jì)算電極的電化學(xué)活性表面積(ECSA),實(shí)現(xiàn)了樣品催化活性的基準(zhǔn)化。此外,通過(guò)Tafel分析和電化學(xué)阻抗譜(EIS)分析,探討了催化劑在堿性條件下的催化機(jī)理和動(dòng)力學(xué),從而解釋催化劑活性變化的規(guī)律。
【關(guān)鍵詞】：水氧化反應(yīng) 電催化劑 普魯士藍(lán)類配合物 金屬氧化物 催化活性
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 緒論7-21
• 1.1 引言7-9
• 1.2 WOR電催化反應(yīng)9-10
• 1.3 WOR反應(yīng)機(jī)理10-11
• 1.4 WOR電催化劑11-19
• 1.4.1 金屬氧化物11-18
• 1.4.2 普魯士藍(lán)類配合物(PBA)18-19
• 1.5 研究?jī)?nèi)容19-20
• 1.6 技術(shù)路線與研究思路20
• 1.7 創(chuàng)新點(diǎn)20-21
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料及測(cè)試技術(shù)21-27
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器21
• 2.1.1 主要實(shí)驗(yàn)試劑21
• 2.1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器21
• 2.2 樣品表征21-24
• 2.2.1 X射線粉末衍射(XRD)22
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡/X射線能譜儀(SEM/EDS)22-23
• 2.2.3 傅立葉變換紅外光譜技術(shù)(FTIR)23
• 2.2.5 熱重分析(TGA)23-24
• 2.2.6 X射線光電子能譜分析(XPS)24
• 2.3 電化學(xué)測(cè)試24-27
• 2.3.1 循環(huán)伏安法25
• 2.3.2 Tafel分析25
• 2.3.3 ECSA測(cè)定25-26
• 2.3.4 交流阻抗法26
• 2.3.5 計(jì)時(shí)電流法26-27
• 第3章 M-Fe(M=Co、Ni、CoNi)PBA及氧化物的制備與電催化性能27-40
• 3.1 引言27-28
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分28-29
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原理28
• 3.2.2 M-Fe PBA及氧化物的制備28-29
• 3.2.3 M-Fe PBA(M=Co、Ni、CoNi)及氧化物電極的制作29
• 3.3 結(jié)果與討論29-39
• 3.3.1 M-Fe PBA(M=Co、Ni、CoNi)及其退火樣品的物理表征29-34
• 3.3.2 M-Fe(M=Co、Ni、CoNi)PBA與氧化物的WOR催化性能評(píng)價(jià)34-39
• 3.4 小結(jié)39-40
• 第4章 M-Co(M=Co、Ni、Fe、Mn、Zn、Cu)PBA及氧化物的制備與電催化性能40-61
• 4.1 引言40-41
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分41-42
• 4.2.1 M-Co(M=Co、Ni、Fe、Mn、Zn、Cu)PBA與氧化物的合成41
• 4.2.2 M-Co(M=Co、Ni、Fe、Mn、Zn、Cu)PBA與氧化物電極的制作41-42
• 4.3 結(jié)果與討論42-59
• 4.3.1 M-Co(M=Co、Ni、Cu)PBA與氧化物的物理表征42-45
• 4.3.2 M-Co(M=Co、Ni、Fe、Mn、Zn、Cu)PBA與氧化物的WOR電催化性能45-59
• 4.4 小結(jié)59-61
• 第5章 結(jié)論與展望61-63
• 5.1 結(jié)論61
• 5.2 后續(xù)工作展望61-63
• 致謝63-64
• 參考文獻(xiàn)64-76
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文及科研成果76

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