【摘要】：能源短缺問題已成為全球性的問題,開發(fā)具有優(yōu)越性能的新材料來應(yīng)對(duì)能源危機(jī)具有現(xiàn)實(shí)性意義。氫能是一種燃燒熱值高、來源廣泛的清潔能源。作為工業(yè)化生產(chǎn)氫氣的技術(shù),電解水制氫具有操作簡(jiǎn)便、清潔無污染等突出優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是可行且成熟的技術(shù)之一。高效理想的陰極析氫電極材料應(yīng)具有較小的過電位、較大的比表面積、良好的導(dǎo)電性、較高的電催化活性、較好的穩(wěn)定性等特性。但多數(shù)電極由于析氫過電位較大、催化活性較低等產(chǎn)生的高能耗,使其不能廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中。所以,制備較小析氫過電位、較高催化活性的電極材料,無論從節(jié)能增效,還是從長(zhǎng)遠(yuǎn)地解決能源短缺問題方面,都具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。本論文結(jié)合原位聚合法、水熱法和化學(xué)還原法制備了四種復(fù)合材料,并對(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌及電解水析氫性能進(jìn)行了測(cè)試并分析,研究表明四種復(fù)合材料電催化活性較高、穩(wěn)定性較好。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)采用水熱方法制備了MoS_2/PANI復(fù)合材料,并探討了不同PANI含量對(duì)復(fù)合材料析氫性能的影響。MoS_2生長(zhǎng)在PANI表面防止了MoS_2納米微球的團(tuán)聚,且復(fù)合的PANI能提高復(fù)合材料的電子傳導(dǎo)能力。MoS_2/PANI復(fù)合材料在 400 mV過電位下,其電流密度遠(yuǎn)大于單純MoS_2對(duì)應(yīng)的電流密度(5 mA cm-2),其中修飾PANI含量為19wt%的MoS_2/PANI-5電極,其電流密度最大,為80 m A cm-2。MoS_2/PANI-5電極的Tafel斜率(49 mV dec-1)遠(yuǎn)小于單純MoS_2的(93mV dec-1),交流阻抗譜中的電荷轉(zhuǎn)移阻抗Rct在九種電極中最小。較好的析氫性能得益于最優(yōu)含量的PANI提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性、抑制了MoS_2微球的團(tuán)聚,使其暴露出更多的活性位點(diǎn)。(2)通過易于操作的水熱方法制備了CoS_2/MWCNTs復(fù)合材料,研究了MWCNTs的修飾對(duì)于CoS_2材料析氫性能的提高機(jī)理,基于MWCNTs較大的比表面積和良好的導(dǎo)電性,CoS_2暴露出更多的有效邊緣位點(diǎn),復(fù)合材料的導(dǎo)電性得到提高。CoS_2/MWCNTs復(fù)合材料(73m A cm-2)在 400 mV過電位下,其電流密度遠(yuǎn)大于單純CoS_2對(duì)應(yīng)的電流密度(29 m A cm-2),同時(shí)CoS_2/MWCNTs電極的Tafel斜率(83mV dec-1)遠(yuǎn)小于單純CoS_2的,且CoS_2/MWCNTs電極的電荷轉(zhuǎn)移阻抗Rct(310Ω)也低于單純CoS_2電極。CoS_2/MWCNTs電極良好的析氫性能歸因于MWCNTs良好的導(dǎo)電性、CoS_2微球較弱的團(tuán)聚。(3)基于乙炔黑(AB)較大的比表面積和良好的導(dǎo)電性以及WS2豐富的邊緣缺陷位點(diǎn),制備了WS2/AB復(fù)合材料,并以天然的層狀硅酸鹽礦物—4A沸石作為造孔劑,制備了多孔WS2/AB復(fù)合材料,探究多孔WS2/AB對(duì)于電解水析氫電催化性能的提高機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn), 400 mV析氫電位下三種電極達(dá)到的電流密度大小依次為多孔WS2/ABWS2/ABWS2,多孔WS2/AB電極的交換電流密度是WS2/AB電極的1.6倍,是WS2電極的2.5倍。多孔WS2/AB析氫性能的提高原因是:AB的復(fù)合增強(qiáng)了復(fù)合材料的導(dǎo)電性,多孔結(jié)構(gòu)的形成提高了電極的真實(shí)比表面積。(4)采用簡(jiǎn)單的原位聚合方法制備聚吡咯(PPy)納米線并作為成核點(diǎn),水相中化學(xué)還原Ni2+成納米Ni顆粒,制備了納米Ni/PPy復(fù)合材料,并探究了Ni/PPy復(fù)合電極電解水析氫的電催化性能。Ni/PPy復(fù)合材料在 400 mV過電位下,其電流密度(93 mA cm-2)是單純納米Ni對(duì)應(yīng)的電流密度(36 mA cm-2)的2.6倍,且Ni/PPy電極的Tafel斜率要遠(yuǎn)小于單純Ni電極,Ni/PPy電極的交換電流密度是Ni電極的1.8倍。這都得益于PPy提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性,抑制了Ni納米顆粒的團(tuán)聚,使其暴露出豐富的邊緣缺陷位點(diǎn)。本論文主要制備了四種復(fù)合材料:MoS_2/PANI、CoS_2/MWCNTs、多孔WS2/AB和納米Ni/PPy,同時(shí)四種復(fù)合材料在電解水析氫方面具有高催化活性,低Tafel斜率,良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),具有較好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36;TQ116.2
【圖文】：

圖 1-1 中 性 或 堿 性 溶 液 中 析 氫 反 應(yīng) 過 程 圖1-1 HER process in neutral or alkaline solution學(xué)反應(yīng) 步驟（ Volmer 反應(yīng)）：+ e-+ M→MH + H2O（酸 性介質(zhì)）

M-H 吸 附 鍵 強(qiáng) 度 與 析 氫 反 應(yīng) 過 程 中 交 換 電 流 密 度Relationship between M-H adsorption bonding streexchange current densities in HER氫氣在 具 有 d 電子空 軌道 的金屬上析出時(shí)交 換鍵 強(qiáng) 度 的關(guān) 系 。 從 圖 上可 以 看 出， Pt 族 金屬

圖 2-1 XPS 的 工 作 原 理 圖Fig. 2-1 Working principle of XPS譜分析 術(shù)（Raman）起源 于拉 曼散射效 應(yīng) ，指光

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本文編號(hào)：2761327