【摘要】：由于氣候變化和石油供應(yīng)的枯竭,清潔能源的研究和開發(fā)對未來人類社會的發(fā)展至關(guān)重要。利用可再生能源(如太陽能、風(fēng)能等)驅(qū)動電化學(xué)分解水是制備環(huán)境友好、可循環(huán)利用的高純度氫燃料的有效途徑。目前在電催化分解水反應(yīng)中性能最好的仍然是貴金屬,例如鉑(Pt)應(yīng)用于析氫反應(yīng)(HER),而氧化銥(Ir O2)和氧化釕(Ru O2)應(yīng)用于析氧反應(yīng)(OER),但貴金屬昂貴稀少且穩(wěn)定性較差,大量的研究已經(jīng)致力于發(fā)展過渡金屬,尤其是自支撐過渡金屬催化劑用于替代貴金屬催化劑。納米技術(shù)和材料化學(xué)的不斷進(jìn)步,為一系列先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)做出了巨大的貢獻(xiàn)。自支撐過渡金屬催化劑直接生長在導(dǎo)電基底上降低了合成技術(shù)的成本,促進(jìn)了基底與活性位點(diǎn)之間的電子傳輸,而且防止了催化劑在產(chǎn)生氣泡過程中的脫落現(xiàn)象,從而提高了催化劑的催化活性以及穩(wěn)定性。同時一些催化劑在實際應(yīng)用中具有雙功能性,這為探索新型電催化材料指引了方向。但是過渡金屬與貴金屬相比,催化性能仍然有很大的提高空間。設(shè)計高效穩(wěn)定催化劑的關(guān)鍵原則在于暴露更多的催化位點(diǎn),優(yōu)異的導(dǎo)電性以及穩(wěn)定的催化結(jié)構(gòu)。圍繞以上幾點(diǎn)及設(shè)計原則,本論文主要可以分為以下幾個部分:首先研究了利用常溫浸泡法實現(xiàn)自支撐硫化亞銅納米陣列結(jié)構(gòu)的可控生長,并研究其在酸性環(huán)境下的電催化析氫反應(yīng),然后通過水熱法在硫化亞銅表面外延生長鈷酸鎳,形成硫化亞銅/鈷酸鎳的異質(zhì)結(jié)構(gòu),兩者相互協(xié)同作用使析氫反應(yīng)性能進(jìn)一步提高;隨后,利用電化學(xué)活化的方法將自支撐硫化亞銅納米線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為硫摻雜氧化亞銅的疏松多孔結(jié)構(gòu),應(yīng)用于電催化全分解水反應(yīng),性能得到大幅度提升,并通過理論計算和實驗監(jiān)測共同結(jié)合的方法,深入討論了性能與結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系;最后,我們創(chuàng)制了界面直接外延誘導(dǎo)法生長羥基氧化物的制備方法,并成功在此過程中將鐵原位摻雜進(jìn)羥基氧化物中,該催化材料不僅在合成步驟上簡化于二次氧化氫氧化物制備羥基氧化物的兩步法,而且在電催化析氧反應(yīng)的應(yīng)用上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的氫氧化物。
【圖文】：

前兩者占整個制氫技術(shù)的 95%，只有 4%的氫氣是[5]。顯然，目前氫氣的生產(chǎn)依然嚴(yán)重依賴于不可再生的化石燃燃料產(chǎn)氫排放的二氧化碳造成了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)[6]。其中電解中的風(fēng)能、太陽能以及其它可再生的能源儲存電能，用于分解，氫氣和氧氣燃燒釋放儲存的能量，同時生成清潔的水資源，續(xù)產(chǎn)氫的有效方式，因為它的電源。如圖 1.1 所示[7]。電化學(xué)反應(yīng)組成：陰極發(fā)生析氫反應(yīng)（HER），陽極發(fā)生析氧反應(yīng)（解水技術(shù)提供了良好的發(fā)展空間。雖然電解水是一種制備高純，但是在實際應(yīng)用中，電化學(xué)分解水技術(shù)在氫氣的量產(chǎn)上仍然是實現(xiàn)高效析氫和析氧反應(yīng)電催化劑的制備并被有效利用，使電容易進(jìn)行。理想的析氫或析氧反應(yīng)催化劑必須滿足兩個基本需應(yīng)的催化劑必須具有較高的活性，，在較低過電勢下產(chǎn)生較大催化劑本身必須具備長時間的穩(wěn)定性。

圖 1.2 電解水裝置示意圖[5]。Figure 1.2 Schematic diagram of an electrolyzer[5].所示，電解水的裝置主要由電解液、陰極和陽極三析氧反應(yīng)活性的雙功能催化劑分別應(yīng)用于電解池的應(yīng)。當(dāng)外加電壓施加在兩電極上，析氫反應(yīng)和析氧反。電解液的不同導(dǎo)致水分解發(fā)生的反應(yīng)機(jī)理不同，解水總的化學(xué)方程式：222H OH+ 12O………………解液中的反應(yīng)：陰極：22H +2eH+ ………………陽極：+ HO2H+ 12O+2e22…………
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ426;TQ116.2

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本文編號：2708649