【摘要】：近年來,由煤、石油等化石燃料過度燃燒帶來的環(huán)境污染和資源短缺等問題引起人們對清潔、可再生能源的重視,其中電解水制氫作為制備清潔能源的一個綠色途徑,值得人們對此深入研究。對于電解水制氫技術,考慮到實際生產中的低成本原則,需要尋找價格低廉的過渡金屬來取代貴金屬用于電催化劑的研究中。根據(jù)以往的報道,過渡金屬磷化物具有特殊的能帶結構,在研究中表現(xiàn)出良好的電催化活性和電化學穩(wěn)定性,有望取代貴金屬催化劑。然而,二元磷化物的晶體結構有限、性能可調節(jié)性差。研究表明,材料的組成元素之間存在著普遍的“協(xié)同效應”,據(jù)此,構筑三元過渡金屬磷化物將是提高材料電催化性能的有效思路。本研究選擇具有相同晶體結構的二元磷化物來構筑三元體系,主要的研究對象為Ni-Fe-P和Co-Fe-P兩種電催化劑材料,主要的研究內容如下:(1)通過水熱法和低溫磷化法分別在碳纖維氈(CF)和泡沫鎳(NF)上構筑Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x電催化劑材料,在堿性條件下探究其電解水性能。通過三電極體系研究發(fā)現(xiàn),Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x的電催化析氫和析氧活性遠高于NiFe-LDH前驅體,而以NF為基底的催化劑陣列的電催化活性優(yōu)于以CF為基底的催化劑陣列。前者得益于Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x良好的本征導電性,有利于電子在催化劑材料中的傳輸;后者則得益于催化劑與NF緊密的接觸性,有利于電子從基底到表面的傳輸。通過兩電極體系研究發(fā)現(xiàn),Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x@NF在全水解測試中表現(xiàn)出最佳的電催化性能,其產生10mA?cm~(-2)電流密度所需要的電壓僅為1.55 V,明顯優(yōu)于工業(yè)用的Pt@Ti||RuO_2/IrO_2@Ti電極對(1.62 V)。(2)通過水熱法和低溫磷化法在碳布(CC)上構筑Co_xFe_(1-x)P@CC納米線陣列,在堿性條件下探究其電解水性能。在三電極測試體系中,通過幾何表面積、催化劑質量和電化學表面積的歸一化研究,分別系統(tǒng)地探索了Co_xFe_(1-x)P@CC的電催化活性規(guī)律,發(fā)現(xiàn)當Co與Fe的比例在1:1附近時析氫活性最佳(Co_(0.56)Fe_(0.44)P@CC),而在3:1時析氧活性最佳(Co_(0.79)Fe_(0.21)P@CC)。在兩電極測試體系中,Co和Fe共存的三元催化劑體系展示出顯著的“協(xié)同效應”,其中,Co_(0.79)Fe_(0.21)P@CC納米陣列的性能最佳,在產生電流密度為10 mA?cm~(-2)所需要的電壓僅為1.60 V。
【圖文】：

第 1 章 緒論水制氫水制氫反應原理所示，一個完整的電解槽由電解質（即 H2O）、陰極電，為了加快水分解，通常需要在電極上涂覆一層催化劑半反應組成，，即在陰極電極上發(fā)生水的還原反應（析氫水的氧化反應（析氧反應）。當施加電壓于外電路時，電子生成氫氣；在陽極上，氫氧根失去 4 個電子生成氧理論產量比為 2:1。根據(jù)不同的介質中水的分解反應，水學式表達[2]：

系統(tǒng)中如：Ea-Bf-Ec||Ea-Bf-Ec（Ea-Bf-Ec：地球上儲量豐富的雙功能性催化劑以進一步降低成本，簡化電解水系統(tǒng)[33-36]。由于在酸性介質中，水分解需要、高效的不溶于酸的OER電催化劑，因此大量的OER電催化劑多用于堿性介[12]，目前在商業(yè)水電解槽中也使用堿性介質[18]。 因此，在堿性介質中開發(fā)高價的HER和OER雙功能電催化劑可以顯著提高整體水分解效率。目前，在堿性介質中，國內外關于電化學性能優(yōu)異的電催化劑已經報道了[33-39]，其電化學性能媲美甚至超過商業(yè)電極對 Pt/C||RuO2。不過相對于單純ER和OER催化劑，在堿性介質中，關于水分解性能優(yōu)異的雙功能性電催化劑道還是很少。主要的研究集中在鈷基和鎳基材料上。.2.1 鈷基 HER 和 OER 雙功能電催化劑近年來，對非貴金屬雙功能性電催化劑元素研究最多的主要集中在Co、Ne、Mn、Cu等過渡金屬元素上，主要原因在于過渡金屬元素地球儲量豐富，價廉，合成方法簡單，合成的催化劑性能優(yōu)異。其中，研究最早的是鈷基催化
【學位授予單位】：中國石油大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ116.2;O643.36

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本文編號：2675009