【摘要】：近年來(lái),能源緊缺成為一大難題。為了構(gòu)建可持續(xù)的能源結(jié)構(gòu),人們需要找到行之有效的能源存儲(chǔ)方案。通過(guò)電解水反應(yīng)將過(guò)量的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能(氫氣和氧氣),能夠有效地解決能源存儲(chǔ)問(wèn)題。在電解水反應(yīng)過(guò)程中,析氧反應(yīng)由于復(fù)雜的四電子轉(zhuǎn)移機(jī)理,其動(dòng)力學(xué)過(guò)程相當(dāng)遲緩,人們需要找到高效的催化劑來(lái)加快析氧反應(yīng)。目前,人們普遍認(rèn)為RuO_2和IrO_2是有效的析氧催化劑,其在酸性和堿性電解液中表現(xiàn)出高活性。然而,成本高和儲(chǔ)量不足這些缺點(diǎn)限制了他們的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。最近的研究表明,NiFe基氫氧化物以及衍生出的氧化物和硫化物都表現(xiàn)出極低的析氧過(guò)電位。本論文主要圍繞NiFe基氧化物和硫化物,通過(guò)設(shè)計(jì)中空的多面體結(jié)構(gòu)和以碳層包覆金屬合金、氧化物或硫化物顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu),制備出在堿性條件下具有高性能的析氧催化劑。本論文采用溶劑熱的方法,通過(guò)調(diào)變Ni:Fe的金屬比例制備出了具有不同形貌(包含正八面體、立方八面體和不規(guī)則的十四面體)的前驅(qū)體。后期經(jīng)過(guò)自模板熱解處理,最后得到具有中空結(jié)構(gòu)的多面體復(fù)合材料(Ni_xFe_(1-x)-HP)。利用多種表征技術(shù)研究復(fù)合材料的組成和結(jié)構(gòu)等特征,并在堿性條件下對(duì)材料的電解水性能進(jìn)行了測(cè)試。最終的結(jié)果表明:鐵的比重增加時(shí),不僅會(huì)改變材料的形貌,也會(huì)顯著影響材料對(duì)析氧反應(yīng)的催化活性。當(dāng)金屬投料比(Ni:Fe)為1:1時(shí),制備的催化劑Ni_(0.5)Fe_(0.5)-HP在電催化析氧反應(yīng)中表現(xiàn)出很高的活性和強(qiáng)穩(wěn)定性。當(dāng)電流密度為10mA cm~(-2)時(shí),Ni_(0.5)Fe_(0.5)-HP過(guò)電位只有280 mV。隨后,在利用溶劑熱法合成前驅(qū)體時(shí)直接引入硫單質(zhì)作為硫源和形貌調(diào)控劑,通過(guò)改變硫單質(zhì)的加入量,得到了具有不同形貌的前驅(qū)體。其中,主要有正方體、正八面體和立方八面體三種特征形貌。經(jīng)自模板熱解,多面體形貌仍能保持,并且內(nèi)部形成大的空腔,生成了碳包裹NiFe硫化物、氧化物及合金的復(fù)合結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,23-S-NiFe@NC-3樣品具有極高的催化性能。電流密度為20 mA cm~(-2)時(shí),23-S-NiFe@NC-3對(duì)應(yīng)過(guò)電位只有272 mV,堿性條件下的塔菲爾斜率為84 mV dec~(-1)。其優(yōu)異的性能歸因于NiFe合金和碳層有效地提高了電子轉(zhuǎn)移速率,以及NiFe硫化物、氧化物、合金與碳層的強(qiáng)有力的緊密結(jié)合及高效協(xié)同效應(yīng),使得催化劑不容易從電極表面脫落下來(lái),從而表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性。
【圖文】：

源給環(huán)境造成的危害促使人們急需尋求一種儲(chǔ)量好的替代能源。在眾多能源生產(chǎn)的方式中，燃料電的破壞。其中，使用 H2和 O2的燃料電池，因?yàn)槠涑氐囊环N最佳選擇。目前，燃料電池所用到的 H重整和電解水方法制備 H2。對(duì)比這兩種制取 H2的產(chǎn) CO2，從而降低了 H2的純度，導(dǎo)致燃料電池的，而且這種工藝也會(huì)給環(huán)境帶來(lái)危害；但在電解水成污染，制得的氫氣純度還高，操作流程非常簡(jiǎn)單解水工藝需要消耗的電能可以通過(guò)其它能源轉(zhuǎn)化得的方法。工藝中的核心裝置是 PEM 電解槽。電解槽包括三極（如圖 1.1 所示）。電解水過(guò)程由兩個(gè)半反應(yīng)組反應(yīng)，hydrogen evolution reaction, HER)和水氧化 reaction, OER)。

圖 1.2 OER 機(jī)理的示意圖 mechanism for acid (blue line) and alkaline (red line) coat the oxygen evolution involves the formation of a pck line) while another route for direct reaction of two aeen) to produce oxygen is possible as well應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)組報(bào)道了采用常規(guī)電化學(xué)技術(shù)測(cè)得的諸多催化劑不同課題組測(cè)得的相同材料的活性數(shù)據(jù)雖然正確測(cè)試者采用了不同的測(cè)量條件。為此，，有必要建立公正的比較和評(píng)估。McCrory 等人[2]設(shè)計(jì)了一個(gè)標(biāo)確保結(jié)果的可靠性，在測(cè)量中要兼顧多種測(cè)量參數(shù)效率、元素組成、比表面積和孔結(jié)構(gòu)。他們還建議用下分別用 1.0 M H2SO4和 1.0 M NaOH 溶液。此外，需比較在電流密度為 10 mA cm-2下對(duì)應(yīng)的過(guò)電
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36;TQ116.2

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本文編號(hào)：2673638