【摘要】：利用水分解反應(yīng)生成氫氣和氧氣,可以有效地將其它形式的能量儲存在化學(xué)燃料中,這種轉(zhuǎn)化已被廣泛認(rèn)為是解決能源消耗和環(huán)境污染有效的途徑之一。利用太陽能轉(zhuǎn)化為電能,然后再通過電催化水分解制氫,這一間接轉(zhuǎn)化可以有效地將間歇性的太陽能存儲在化學(xué)能中,且清潔無污染。但是作為關(guān)鍵的半反應(yīng),氧析出反應(yīng)(OER)涉及到4電子/質(zhì)子的轉(zhuǎn)移耦合過程,具有很高的活化勢壘,因此成為電催化水分解制取O2和H2的瓶頸。在過去的幾十年中,貴金屬催化劑二氧化釕(RuO2)和二氧化銥(IrO2)受到廣泛研究,他們在堿性溶液中表現(xiàn)出了很低的過電勢和塔菲爾斜率,被認(rèn)為是最有效地電催化水氧化催化劑。然而,它們的大規(guī)模應(yīng)用一直受到其稀缺性、超高成本和穩(wěn)定性差的限制。因此,人們開始致力于開發(fā)新型高效穩(wěn)定的OER催化劑,尤其是用成本效益高的過渡金屬催化劑代替貴金屬催化劑。但是過渡金屬催化劑都存在著導(dǎo)電性較差的通病,這極大地限制了其催化效率。本文在前人的工作基礎(chǔ)上,采用在泡沫導(dǎo)電材料表面原位生長的催化劑直接作為電極,省去了粘結(jié)劑的使用,極大地提高了催化過程中的電荷轉(zhuǎn)移效率。文章主要包括CuO納米片和FeNiP固溶體納米片陣列用于水氧化兩部分內(nèi)容:1.基于泡沫銅表面原位生長的CuO納米片電催化水氧化活性研究在三維(3D)泡沫銅骨架上直接合成了 CuO納米片催化劑,這種結(jié)構(gòu)不僅具有較大的比表面積、較多的催化活性位點,而且銅基底還能夠快速的進行電荷轉(zhuǎn)移,為實現(xiàn)快速的水氧化反應(yīng)提供了可能。采用X射線粉末衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線光電子能譜(XPS)對合成的CuO納米片樣品進行了物理表征;接著進行電催化水氧化的性能測試,在所有被測試樣品中,在120℃、45 min水熱條件下合成的樣品表現(xiàn)出了較優(yōu)異的OER性能,起始電勢為～1.58Vvs.RHE,Tafel斜率為60.9mV/dec,同時具有較好的長期穩(wěn)定性。2.泡沫鎳基底上生長的FeNiP固溶體納米片陣列的電催化水氧化研究論文的第三章主要介紹FeNiP固溶體納米片陣列(FeNiP-NP)的合成及其作為高性能水氧化催化劑的應(yīng)用。在三維泡沫鎳上制備的FeNiP-NP催化劑,其起始過電勢僅有120 mV,在180 mV的過電勢下就能達到10 mA/cm2的催化電流密度,Tafel斜率低至76.0 mV/dec。此外,我們還通過在1.10-1.55 V vs.RHE下的循環(huán)伏安法(CV)對FeNiP-NP催化劑的長期穩(wěn)定性進行了研究,經(jīng)過1000個CV循環(huán)后其催化電流幾乎沒有變化。據(jù)我們所知,FeNiP-NP催化劑說是迄今為止報道的非貴金屬催化劑中具有最低過電勢的OER催化劑之一。
【圖文】：

逡逑能量存儲中的水氧化逡逑．１自然光合作用中的水氧化逡逑所謂光合作用通常是指綠色植物（包括藻類）吸收光能，把二氧化碳（Ｃ０２）逡逑水（Ｈ２0）合成富能有機物，同時釋放氧氣的過程。該過程一般相對比較，，主要分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個階段，具體過程如下：逡逑２Ｈ２Ｏ邋0２邋＋邋４Ｈ＋邋＋邋４ｅ－逡逑ＮＡＤＰ＋邋＋邋Ｈ＋邋＋邋２ｅ－邋—邋ＮＡＤＰＨ逡逑ＡＤＰ邋＋邋Ｐｉ邋—邋ＡＴＰ逡逑Ｃ0２邋＋邋Ｃ５化合物—２Ｃ３化合物逡逑２Ｃ３化合物—（ＣＨ２０）邋＋邋Ｃ５化合物逡逑ＡＴＰ邋ＡＤＰ邋＋邋Ｐ，逡逑的反應(yīng)方程式可概括為：逡逑６Ｃ0２邋＋邋６Ｈ２0邋（光照、酶、葉綠體）—Ｃ６Ｈｌ２0６邋＋邋６0２逡逑

電子／兩質(zhì)子還原循環(huán)后擴散離開以繼續(xù)電子傳輸，最終電子通過細胞色素ｂ６ｆ逡逑復(fù)合物和ＰＳＩ，生成輔酶ＩＩ（ＮＡＤＰＨ２）及三磷酸腺苷ＡＴＰ等，應(yīng)用于Ｃａｌｖｉ－Ｂｅｎｓｏｎ逡逑循環(huán)中還原Ｃ０２，如圖１．１所示。逡逑１．２．２ＰＳ邋ＩＩ邋與邋ＯＥＣ逡逑如上一小節(jié)中介紹，光合作用的光反應(yīng)階段主要是在光系統(tǒng)ＩＩ邋（ＰＳ邋ＩＩ）進逡逑行的。研宄表明該系統(tǒng)主要由三部分組成，即反應(yīng)中心、捕光復(fù)合體ＩＩ（ＬＨＣ邋ＩＩ）逡逑與放氧復(fù)合體（ＯＥＣ）；放氧復(fù)合體（ＯＥＣ）也稱放氧中心，是一個含鈣（Ｃａ）逡逑的四核錳簇型結(jié)構(gòu)［１４，１５］。通過晶體學(xué)和其它光譜技術(shù)（Ｘ射線吸收光譜、ＸＲＤ逡逑等）對其進行研宄，發(fā)現(xiàn)它由四個錳原子和一個鈣原子組成，其中三個錳原子逡逑與鈣原子以ｐ氧代和Ｍ？羥基配體的形式結(jié)合，形成立方烷樣的結(jié)構(gòu)；而第四個逡逑懸空錳原子則通過兩個氧代基團與立方烷連接，具體結(jié)構(gòu)如圖１．２所示逡逑．＾邋－邋ｗｉｉ）ｖ邋？逡逑＃邋？邐０１－Ｈ３５＾逡逑ＩＴ＂邐ｖ＞—逡逑圖１．２釋氧中心（ＯＥＣ）中的錳鈣立方烷Ｍｎ４Ｃａ0５的分子結(jié)構(gòu)［１７］。逡逑通常四核的錳簇是利用Ｐ６８０葉綠素的單光子光化學(xué)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TQ116.21

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本文編號：2703642