【摘要】：工業(yè)的發(fā)展和科技進(jìn)步的同時(shí)帶來了環(huán)境污染和能源短缺的問題。依賴于高效催化劑的催化技術(shù)為清潔能源的生產(chǎn)以及污染物轉(zhuǎn)化/降解提供了契機(jī)。氫為分子量最小,但是也是目前最受關(guān)注的元素之一。比如,制備氫氣的分解水技術(shù)以及硝基加氫獲得低毒、高附加值的氨基化合物的技術(shù)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。貴金屬為最有效的催化劑,但高的成本及低的儲量限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。因而,高效、低成本非貴金屬基催化劑的開發(fā)是相關(guān)反應(yīng)/技術(shù)得以應(yīng)用的關(guān)鍵。鈷價(jià)格便宜,可與多種陰離子(硼、氮、磷)等結(jié)合獲得多樣的結(jié)構(gòu)和性能,最終合成具有類貴金屬結(jié)構(gòu)的Co基硼(磷,氮)化物�；诓牧系慕Y(jié)構(gòu)對性能的重要影響,本論文致力于發(fā)展Co基硼(氮,磷)化物結(jié)構(gòu)調(diào)控的有效方法,以提高其在催化水分解及硝基-氨基轉(zhuǎn)化等反應(yīng)中的應(yīng)用性能。論文的主要研究內(nèi)容如下:首先,選用Co(NO3)2·6H2O為Co源,修飾的CNTs作為載體,經(jīng)水熱方法獲得氧化鈷/CNTs前軀體。以NaBH4為硼源,經(jīng)由氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下可控的熱處理氧化鈷/CNTs前軀體,獲得Co-B/CNTs材料,并應(yīng)用于電催化分解水制氫體系。測試結(jié)果表明該材料具有良好的HER性能,在電流密度是10 mA cm-2時(shí),過電位在酸性和堿性電解液條件下分別為190 mV和284 mV。證明了硼化物在電催化領(lǐng)域具有巨大潛力。其次,探索合成了具有優(yōu)異性能的雙功能催化劑CoP/NCS。以八羥基喹啉(8-HQ)作為配位絡(luò)合劑與Co(NO3)2·6H2O配位,室溫下成功制備了具有片狀結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體。以NaH2P02為磷源,管式爐中惰性氣氛保護(hù)下磷化片層前軀體獲得磷化鈷在片層碳中嵌入的復(fù)合結(jié)構(gòu)(CoP/NCS)。該方法制備的復(fù)合材料能夠作為高效的電催化分解水催化劑,在電流密度是10 mA cm-2時(shí),電壓僅需要1.63 V。CoP/NCS同時(shí)具有較好的HER催化活性和OER催化活性,電流密度10 mA cm2時(shí),HER和OER的過電位分別為71 mV和254 mV,且具有良好的催化穩(wěn)定性。最后,基于前面的研究內(nèi)容繼續(xù)探索了鈷與8-HQ配位的反應(yīng)條件獲得具有特定形貌的配合物。通過溶劑熱方法可以獲得球狀的Co-HQ-S前驅(qū)體,進(jìn)一步在氨氣氣氛下進(jìn)行熱處理,得到具有納米級別的氮化鈷(Co4N)與氮摻雜的碳(NC)球復(fù)合的材料。分析結(jié)果指出小尺寸的氮化鈷在碳球中均勻的分布,同時(shí)形成類似于“火龍果”的結(jié)構(gòu)。Co4N/NC復(fù)合材料可以作為高效穩(wěn)定的過渡金屬復(fù)合催化劑來催化轉(zhuǎn)化對硝基苯酚獲得對氨基苯酚,僅僅在4 min中內(nèi)就可對0.2mM的對硝基苯酚溶液進(jìn)行100%轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還證明了該材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性,在5次催化后轉(zhuǎn)化效率仍能達(dá)到90%以上,并能夠多次重復(fù)利用。
【圖文】：

榦ｉ逡逑Ｂｉｆｙｎｃｌｉｏｎａｌ邋Ｃａｆａｉｙｓｔ＃逡逑圖１－１電催化水分解裝置示意圖及其在雙功能催化劑上發(fā)生的析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)的工作原理逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｗａｔｅｒ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ｏｐｅｒａｔｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ｔｈｅ逡逑ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｈｙｄｒｏｇｅｎ邋ａｎｄ邋ｏｘｙｇｅｎ邋ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｒｅａｃｔｉｏｎｓ邋ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ邋ｏｎ邋ａ邋ｂｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ邋ａｃｔｉｖｅ邋ｃａｔａｌｙｓｔ逡逑從圖ｉ－ｉ中可以看出，電催化水分解裝置的組成部分包括三個［２５］：水系電解液、逡逑陽極部分和陰極部分。為了避免不同催化劑材料的污染，也為了方便整個催化反應(yīng)的進(jìn)逡逑行，常在陽極和陰極上同時(shí)采用一種具有雙功能的催化劑，以加速整個分解水的反應(yīng)。逡逑－２－逡逑

邐邋Ｉ逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ逡逑圖１－２在酸性電解質(zhì)中催化劑表面的兩種析氫機(jī)制：（ａ）邋Ｖｏｌｍｅｒ－Ｔａｆｅｌ反應(yīng)機(jī)制；（ｂ）邋Ｖｏｌｍｅｒ－逡逑Ｈｅｙｒｏｖｓｋｙ反應(yīng)機(jī)制逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｗｏ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ邋ｏｆ邋ｈｙｄｒｏｇｅｎ邋ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｃａｔａｌｙｓｔ邋ｉｎ邋ａｃｉｄｉｃ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ：邋（ａ）邋Ｖｏｌｍｅｒ－逡逑Ｔａｆｅｌ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，邋（ｂ）邋Ｖｏｌｍｅｒ－Ｈｅｙｒｏｖｓｋｙ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ逡逑１＿２＿２．２邋０ＥＲ邋原理逡逑析氧反應(yīng)在電催化水分解裝置的陽極部分發(fā)生，是一個四電子的過程。與ＨＥＲ相逡逑比，ＯＥＲ過程動力學(xué)遲緩，反應(yīng)過程中涉及到三個中間體：ＨＯＯ＊，０＊和ＯＨ＊。如圖逡逑１－３所示，，通常在酸性電解液中水分解被認(rèn)為是０ＥＲ機(jī)制的第一步，等同于堿性電解液逡逑中的０Ｈ＿。接下來是另外三步，包括：０Ｈ＊氧化為０＊；邋０＊氧化為Ｈ００＊；最后Ｈ００＊逡逑氧化為0２［３２］。下面，給出了邋０ＥＲ在堿溶液中的４個電子反應(yīng)路徑：逡逑ＯＨ－邋＋邋＊邋＾邋ＨＯ＊邋＋邋ｅ￣邋（Ｓｔｅｐｌ，邋ＡＧｉ）邐（１２）逡逑ＨＯ＊邋＋邋ＯＨ一邋—邋０＊邋＋邋Ｈ２０邋＋邋ｅ＿邋（Ｓｔｅｐ２
【學(xué)位授予單位】：東北林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TQ116.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 史克英;李麗;楊穎;金效齊;邵世壯;王海艷;付宏剛;;多壁碳納米管的PEI修飾及NO吸附性能研究[J];哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2006年12期

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1 楊青;硼和硼化物一維納米材料的制備與表征[D];浙江大學(xué);2006年

本文編號：2590521