【摘要】：電化學(xué)催化水分解制氫技術(shù),為間歇性能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能以及其他可再生能源大規(guī)模轉(zhuǎn)換為氫能提供了一種途徑。然而,由于氧析出反應(yīng)的遲滯性,該反應(yīng)過(guò)程的綜合效率受到很大影響,亟待開(kāi)發(fā)出高效的電催化劑來(lái)加速其反應(yīng)速率,進(jìn)而提高能源轉(zhuǎn)換效率。目前,被公認(rèn)性能最優(yōu)的氧析出催化劑是金屬Ru和Ir的氧化物,但其昂貴的價(jià)格及稀缺性制約了其大規(guī)模應(yīng)用。作為貴金屬催化劑的替代品,過(guò)渡金屬氧化物因其豐富的儲(chǔ)量以及較高的理論活性近年來(lái)得到了廣泛研究。目前,這類(lèi)催化劑均通過(guò)滴涂或者旋涂的方法在二維基底上制成薄膜,雖然其性能得到了一定提高,但需要通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能來(lái)提高其催化活性和穩(wěn)定性。因此,本文以細(xì)菌纖維素衍生的碳納米纖維為載體,通過(guò)簡(jiǎn)單的方法制備了幾種具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三維碳納米纖維負(fù)載過(guò)渡金屬及其氧化物的復(fù)合物催化劑,并對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成進(jìn)行了表征,最后對(duì)其催化氧析出的性能進(jìn)行了研究。以細(xì)菌纖維素為模版,通過(guò)熱沉淀法在其三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米纖維上負(fù)載氫氧化鈷納米片,隨后通過(guò)高溫裂解得到細(xì)菌纖維素衍生的碳納米纖維@鈷復(fù)合物,該復(fù)合物不僅保留了先進(jìn)的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而且還具有高比表面積以及良好的機(jī)械性能。將該復(fù)合物直接作為三維電極,對(duì)其催化氧析出性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:其具有較低的起始電位(0.458 V(vs.Ag/AgCl)),在0.1 M KOH溶液中,電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí),過(guò)電位為476 mV,表現(xiàn)出了較高的催化活性。通過(guò)長(zhǎng)達(dá)11小時(shí)的恒壓(0.5 V(vs.Ag/AgCl))穩(wěn)定性測(cè)試后,其電流密度仍然保持70%,證明了其具有良好的穩(wěn)定性。在氧析出反應(yīng)中,三維多孔結(jié)構(gòu)不僅有利于電解液以及氧氣的高速傳質(zhì),而且碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電性能有利于電子的高速轉(zhuǎn)移,這些特性的協(xié)同作用使該材料具有優(yōu)異的電催化性能。此外,以細(xì)菌纖維素衍生的碳納米纖維為載體,通過(guò)水熱法直接負(fù)載鎳鈷雙氫氧化物納米片得到碳納米纖維-鎳鈷雙氫氧化物復(fù)合物,該材料具有良好的三維多層多孔結(jié)構(gòu)以及巨大的比表面積,使其在催化氧析出反應(yīng)中具有良好的質(zhì)量傳遞以及較多的活性位點(diǎn)。通過(guò)催化氧析出性能測(cè)試表明,該三維復(fù)合物催化劑同樣表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的催化活性以及出色的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上,以細(xì)菌纖維素為基底,通過(guò)“模版沉淀—裂解法”制備了其他幾種碳納米纖維負(fù)載過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合物,并對(duì)其進(jìn)行了物理表征及催化氧析出性能研究。
[Abstract]:Electrochemical catalytic water decomposition to produce hydrogen provides a way for large-scale conversion of intermittent energy such as wind, solar and other renewable energy to hydrogen energy. However, due to the hysteresis of the oxygen precipitation reaction, the comprehensive efficiency of the reaction process is greatly affected. It is urgent to develop an efficient electrocatalyst to accelerate the reaction rate and improve the energy conversion efficiency. At present, the oxides of metal Ru and ir are the best catalysts for oxygen precipitation, but their large scale application is restricted by their high price and scarcity. As a substitute for noble metal catalysts, transition metal oxides have been widely studied in recent years because of their rich reserves and high theoretical activity. At present, these catalysts are prepared on two-dimensional substrates by trickling or spin-coating. Although their properties have been improved to some extent, the catalytic activity and stability need to be improved through further optimization of structure and mechanical properties. Therefore, in this paper, several kinds of complex catalysts with porous network structure supported on transition metals and their oxides were prepared by using the carbon nanofibers derived from bacterial cellulose as the carrier. Its morphology, structure and composition were characterized. Finally, the catalytic properties of oxygen precipitation were studied. Using bacterial cellulose as template, cobalt hydroxide nanoparticles were loaded on the nanofibers with three dimensional porous network by thermal precipitation method, and then the carbon nanofibers / cobalt complexes derived from bacterial cellulose were obtained by pyrolysis at high temperature. The composite not only retains the advanced porous network structure, but also has high specific surface area and good mechanical properties. The complex was directly used as a three-dimensional electrode and its catalytic oxygen precipitation performance was tested. The results show that it has a lower initial potential (0.458 V (vs.Ag/AgCl), in 0. 1 M KOH solution) and an overpotential of 476 MV when the current density reaches 10mA/cm2, which shows high catalytic activity. After 11 hours of constant voltage (0. 5 V (vs.Ag/AgCl) stability test, its current density remains 70. It is proved that it has good stability. In the oxygen precipitation reaction, the three-dimensional porous structure is not only conducive to the high speed mass transfer of electrolyte and oxygen, but also the conductive property of carbon nanofiber network is favorable to the high-speed transfer of electrons. The synergistic effect of these properties makes the material have excellent electrocatalytic performance. In addition, carbon nanofibers derived from bacterial cellulose were directly loaded with nickel-cobalt double hydroxide nanochips by hydrothermal method to obtain carbon nanofibers and nickel-cobalt double hydroxide complexes. The material has a good three-dimensional multilayer porous structure and a large specific surface area, which makes it have good mass transfer and more active sites in the catalytic oxygen precipitation reaction. The results of catalytic oxygen precipitation test showed that the three dimensional complex catalyst also showed excellent catalytic activity and excellent stability. On this basis, several other carbon nanofiber supported transition metal complexes were prepared by "template precipitation-pyrolysis" method, and their physical characterization and catalytic properties of oxygen precipitation were studied.
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36;TQ116.2

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張恩磊;唐元洪;張勇;林良武;裴立宅;;流動(dòng)催化法制備碳納米纖維工藝的研究進(jìn)展[J];機(jī)械工程材料;2006年11期

2 張恩磊;唐元洪;張勇;;金屬催化劑對(duì)碳納米纖維結(jié)構(gòu)影響的研究進(jìn)展[J];合成纖維;2007年03期

3 李飛;鄒小平;程進(jìn);張紅丹;任鵬飛;朱光;王茂發(fā);;乙醇催化燃燒法制備Y形碳納米纖維[J];微納電子技術(shù);2007年Z1期

4 王蘭娟;李春忠;顧鋒;周秋玲;;乙醇火焰燃燒制備螺旋碳納米纖維及結(jié)構(gòu)分析[J];無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào);2008年06期

5 畢鴻章;;濕法貯存的碳納米纖維覆面氈[J];高科技纖維與應(yīng)用;2009年04期

6 喬輝;楊笑;魏金柱;;碳納米纖維的制備及應(yīng)用[J];技術(shù)與市場(chǎng);2010年06期

7 李恩重;楊大祥;郭偉玲;王海斗;徐濱士;;碳納米纖維的制備及其復(fù)合材料在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用[J];材料導(dǎo)報(bào);2011年S2期

8 付沙威;謝圓圓;沈璐;陶薈春;;碳納米纖維的制備及表征[J];吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào);2012年02期

9 大谷朝南;劉輔庭;;碳納米纖維制造方法[J];合成纖維;2012年11期

10 王傳新;謝秋實(shí);汪建華;謝海鷗;;碳納米纖維/鎳管復(fù)合材料的制備[J];武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 張紅丹;鄒小平;程進(jìn);任鵬飛;李飛;朱光;王茂發(fā);;平直碳納米纖維與螺旋碳納米纖維的共同生長(zhǎng)[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（6）[C];2007年

2 張超;魯雪生;顧安忠;;氫在碳納米纖維中吸附的計(jì)算機(jī)模擬研究[A];21世紀(jì)太陽(yáng)能新技術(shù)——2003年中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2003年

3 程進(jìn);鄒小平;王麗坤;;一種制備碳納米纖維的簡(jiǎn)單方法[A];納米材料與技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展——第四屆全國(guó)納米材料會(huì)議論文集[C];2005年

4 李飛;鄒小平;程進(jìn);張紅丹;任鵬飛;王茂發(fā);朱光;;通過(guò)乙醇催化燃燒方法制備碳納米纖維[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（6）[C];2007年

5 王茂發(fā);鄒小平;程進(jìn);張紅丹;任鵬飛;李飛;朱光;;催化燃燒法制備碳納米纖維球形團(tuán)聚物[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（6）[C];2007年

6 李飛;鄒小平;程進(jìn);任鵬飛;張紅丹;王茂發(fā);朱光;;多方向生長(zhǎng)碳納米纖維的催化燃燒制備[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（6）[C];2007年

7 程進(jìn);鄒小平;張紅丹;李飛;任鵬飛;朱光;王茂發(fā);;催化劑對(duì)乙醇催化燃燒法制備碳納米纖維的影響[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（6）[C];2007年

8 李飛;鄒小平;程進(jìn);張紅丹;任鵬飛;朱光;王茂發(fā);;乙醇催化燃燒法制備Y形碳納米纖維[A];第十屆全國(guó)敏感元件與傳感器學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2007年

9 李恩重;楊大祥;郭偉玲;周新遠(yuǎn);王海斗;徐濱士;;碳納米纖維的制備及其復(fù)合材料在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用[A];2011年全國(guó)青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

10 劉海洋;連鵬飛;方舟;蔡晴;隋剛;李鵬;于運(yùn)花;鄧旭亮;楊小平;;具有生物活性的碳納米纖維的制備[A];復(fù)合材料：創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展(上冊(cè))[C];2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前9條

1 祁祥;碳納米纖維的高溫轉(zhuǎn)變及其同質(zhì)異構(gòu)結(jié)的特性研究[D];武漢大學(xué);2009年

2 李妙魚(yú);碳納米纖維膜為載體直接甲醇燃料電池陽(yáng)極催化劑的研究[D];山西大學(xué);2011年

3 母靜波;電紡碳納米纖維/金屬氧化物復(fù)合材料的制備及在光催化和超級(jí)電容器方面的性質(zhì)研究[D];東北師范大學(xué);2013年

4 覃勇;螺旋碳納米纖維的生長(zhǎng)樣式控制及其生長(zhǎng)機(jī)理研究[D];中國(guó)海洋大學(xué);2005年

5 邵東鋒;負(fù)載氧化鋅碳納米纖維的制備及性能[D];江南大學(xué);2012年

6 陳久嶺;甲烷催化裂解生產(chǎn)碳納米纖維及其應(yīng)用的基礎(chǔ)研究[D];天津大學(xué);1999年

7 張呈旭;低溫等離子體技術(shù)制備直接醇類(lèi)燃料電池一體化電極的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

8 宋曉峰;基于電紡絲技術(shù)構(gòu)筑碳基和二氧化錫基一維納米材料[D];吉林大學(xué);2008年

9 劉效艷;基于天然纖維素物質(zhì)的含鈦無(wú)機(jī)納米功能材料的制備及性質(zhì)研究[D];浙江大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王亞麗;石墨烯/碳納米纖維的電紡合成與電容脫鹽性能的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 高旭康;生物活性碳納米纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的研制[D];北京化工大學(xué);2015年

3 丁謙;水溶性堿金屬鹽催化合成碳納米纖維及其性能研究[D];南京大學(xué);2014年

4 孫江曼;鈦酸鋰/碳納米纖維鋰離子電池負(fù)極材料的制備與性能研究[D];北京化工大學(xué);2015年

5 李擰擰;硫/碳復(fù)合材料的制備及其在鋰硫電池中的應(yīng)用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

6 曹?chē)?guó)林;三維碳納米纖維負(fù)載過(guò)渡金屬及其氧化物復(fù)合電催化劑用于高效氧析出[D];北京理工大學(xué);2015年

7 周秀坤;原位合成碳納米纖維及微孔碳磚結(jié)構(gòu)和性能的研究[D];武漢科技大學(xué);2009年

8 裴春雨;碳納米纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料自感知性能[D];大連理工大學(xué);2014年

9 葉靖;聚丙烯腈基取向碳納米纖維的制備及其電學(xué)性能的研究[D];浙江理工大學(xué);2014年

10 白翔;多級(jí)多孔碳納米纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其儲(chǔ)能性能的研究[D];北京化工大學(xué);2013年

，

本文編號(hào)：2185064