【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)過程的綜合效率受到很大影響,亟待開發(fā)出高效的電催化劑來加速其反應(yīng)速率,進而提高能源轉(zhuǎn)換效率。目前,被公認性能最優(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,過渡金屬氧化物因其豐富的儲量以及較高的理論活性近年來得到了廣泛研究。目前,這類催化劑均通過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,但需要通過進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)及機械性能來提高其催化活性和穩(wěn)定性。因此,本文以細菌纖維素衍生的碳納米纖維為載體,通過簡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載過渡金屬及其氧化物的復(fù)合物催化劑,并對其形貌結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成進行了表征,最后對其催化氧析出的性能進行了研究。以細菌纖維素為模版,通過熱沉淀法在其三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米纖維上負載氫氧化鈷納米片,隨后通過高溫裂解得到細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械性能。將該復(fù)合物直接作為三維電極,對其催化氧析出性能進行了測試。測試結(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,電流密度達到10mA/cm2時,過電位為476 mV,表現(xiàn)出了較高的催化活性。通過長達11小時的恒壓(0.5 V(vs.Ag/AgCl))穩(wěn)定性測試后,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,以細菌纖維素衍生的碳納米纖維為載體,通過水熱法直接負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。通過催化氧析出性能測試表明,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,以細菌纖維素為基底,通過“模版沉淀—裂解法”制備了其他幾種碳納米纖維負載過渡金屬復(fù)合物,并對其進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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O643.36;TQ116.2

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本文編號：2185064