【摘要】：全球范圍內(nèi)不斷增加的能源需求和持續(xù)惡化的環(huán)境問題迫使人類必須減少對化石燃料的依賴,不斷尋求可循環(huán)、廉價、清潔和環(huán)境友好的新能源。在各種替代能源中,氫氣不僅一種高熱值、無污染的能源而且是能源存儲和運輸?shù)淖顑?yōu)載體。目前,氫氣的獲取主要是通過水分解的方式。然而,水分解析氫在動力學上確是一個很難發(fā)生的過程,并且需要使用鉑等貴金屬催化劑。然而,這些貴金屬催化劑的稀缺性和高價格極大地抑制了其在商業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。盡管如此,鉑基貴金屬材料依舊可以用非貴金屬納米材料(如:過渡金屬硫化物、過渡金屬磷化物、碳基非金屬材料)來替代。這些非貴金屬材料不僅在析氫性能上與鉑基催化劑接近,而且含量豐富,價格低廉。因此這些材料必然會成為未來電解水產(chǎn)氫的主要催化劑。本文主要分為以下三章:第一章,主要介紹電解水產(chǎn)氫的總體概況。我們首先從電解水析氫的反應(yīng)機理了解整個反應(yīng)過程;接著通過過電位、塔菲爾斜率、交換電流密度、電化學阻抗和電化學活性面積等主要參數(shù)分析電解水析氫的影響因素;最后分析在不同pH條件下電解水析氫的效率及反應(yīng)過程的差異。除此之外,還介紹了電解水析氫反應(yīng)催化劑的研究進展,著重總結(jié)過渡金屬化合物和非金屬復(fù)合物催化劑的研究進展。從中可以得出非貴金屬催化劑的研究已經(jīng)取得了很大的突破,非貴金屬催化劑在未來必將取代貴金屬催化劑。第二章,介紹了黑磷-二硫化鉬復(fù)合納米片的電解水析氫反應(yīng)的研究情況。我們首先合成了二維黑磷納米片,并用水熱法將此納米片與二硫化鋁納米片結(jié)合。通過運用多種表征手段,可以確定已經(jīng)形成了黑磷-二硫化鉬Ⅱ類異質(zhì)結(jié)。接著,對此復(fù)合物進行電化學測試,發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)氫速率比單一材料有了很大的提升。由Mott-Schottky曲線可以得出:二硫化鉬和黑磷納米片的費米能級處在不同的位置,二者結(jié)合后,會有大量的電子由黑磷流向二硫化鉬。于是,便會增加二硫化鑰的催化活性,降低析氫反應(yīng)的吉布斯自由能,增加電解水析氫反應(yīng)的速率。第三章,總結(jié)了本文工作的重點,展望了非貴金屬電化學析氫催化劑的應(yīng)用前景,并從材料復(fù)合的設(shè)計、催化劑的構(gòu)造、催化反應(yīng)的電子流等方面闡述了未來電解水析氫反應(yīng)的機遇與挑戰(zhàn)。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TQ116.2
【圖文】：

１．２．邋１電解水產(chǎn)氫反應(yīng)（ＨＥＲ）的詳細步驟逡逑電解水可以制得高純度的氫氣。發(fā)生反應(yīng)的電解槽主要分為以下三個部分：逡逑陰極、陽極和電解質(zhì)（如圖１．２）。當外部加上一定直流電壓時，會在陰極發(fā)生氫逡逑氣析出反應(yīng)（ＨＥＲ），與此同時陽極發(fā)生氧氣析出反應(yīng)（ＯＥＲ）。因此，水分子被逡逑分解成氫氣和氧氣。于是，再將氫氣進行收集，而氧氣可以收集也可以直接排入逡逑空氣中。收集后的氫氣就可以當成燃料被直接使用了［６］。逡逑電解水產(chǎn)氫實際上被分解成了邋ＨＥＲ和ＯＥＲ兩個過程不同而又同時發(fā)生的半逡逑反應(yīng)。當反應(yīng)的電解質(zhì)不同時，電解水反應(yīng)具體步驟也不相同。電解水反應(yīng)可以逡逑用下列方程式進行描述：逡逑總反應(yīng)：邐Ｈ２０邋—Ｈ２（ｇ）邋＋邋ｌ／２０２（ｇ）邐（１．１）逡逑在酸性電解液中：逡逑陰極：２Ｈ＋邋＋邋２ｅ—邋—Ｈ２（ｇ）邐（１．２）逡逑陽極：Ｈ２０邋—２Ｈ＋＋ｌ／２０２（ｇ）邋＋邋２ｅ＇邐（１．３）逡逑２逡逑

ｉＴｌＭｉＭ邐ＥｆｅｃｔｒＪｌｙｓｆａ邋丨逡逑圖１．１由可再生能源產(chǎn)生氫氣的各種不同的路徑Ｐ］。逡逑１．２電化學析氫反應(yīng)機理的介紹逡逑電解水過程分為同時發(fā)生電解水析氫（ＨＥＲ）和電解水析氧（ＯＥＲ）兩個半逡逑分應(yīng)。由于氧氣在空氣中廣泛存在，本文主要研宄ＨＥＲ過程。從ＨＥＲ過程的水逡逑解離、氫吸附和兩個吸附態(tài)的反應(yīng)生成氫氣，可以更加清晰地認識ＨＥＲ反應(yīng)。逡逑同時介紹了邋ＨＥＲ過程的主要參數(shù)，通過這些參數(shù)可以對ＨＥＲ進行更加清晰的描逡逑述，對設(shè)計新型催化劑具有重要的指導(dǎo)性的意義。逡逑１．２．邋１電解水產(chǎn)氫反應(yīng)（ＨＥＲ）的詳細步驟逡逑電解水可以制得高純度的氫氣。發(fā)生反應(yīng)的電解槽主要分為以下三個部分：逡逑陰極、陽極和電解質(zhì)（如圖１．２）。當外部加上一定直流電壓時，會在陰極發(fā)生氫逡逑氣析出反應(yīng)（ＨＥＲ），與此同時陽極發(fā)生氧氣析出反應(yīng)（ＯＥＲ）。因此，水分子被逡逑分解成氫氣和氧氣。于是，再將氫氣進行收集，而氧氣可以收集也可以直接排入逡逑空氣中。收集后的氫氣就可以當成燃料被直接使用了［６］。逡逑電解水產(chǎn)氫實際上被分解成了邋ＨＥＲ和ＯＥＲ兩個過程不同而又同時發(fā)生的半逡逑反應(yīng)。當反應(yīng)的電解質(zhì)不同時

；同樣可以計算出Ｈｅｙｒｏｖｓｋｙ反應(yīng)過程Ｔａｆｅｌ斜率約為４０ｍｖ邋ｄｅｅｆ１；而當是逡逑Ｔａｆｅｌ反應(yīng)過程時的Ｔａｆｅｌ斜率相對最小，其數(shù)值約為３０ｍｖ邋ｄｅｃ４邋［２８］。逡逑同樣地，ｊｏ的值也可以由兩種方法得到。方法一：如圖１．４所示：由于逡逑ａ＝＾Ｉ丨，因此，由１．１９式可知，當電流密度ｊ０為０時，由曲線在坐標軸逡逑上的截距便可以求出ｊｏ的值。方法二：當過電位特別小的時候，Ｂｕｔｌｅｒ－Ｖｏｌｍｅｒ逡逑公式１．２０的指數(shù)部分就會特別小。因為：當Ｘ特別小時，１＋ｘ，所以１．２０逡逑式可以寫成：逡逑ｊ＝ｊ0＾邐0－２３）逡逑因此當電位特別小時，過電位和電流密度之間呈線性關(guān)系。其斜率只與ｊｏ逡逑有關(guān)，因此可以求出ｊｏ。ｊｏ是描述ＨＥＲ催化劑性能的關(guān)鍵參數(shù)，其大小和催化逡逑劑的催化活性面積成正比，ｊｏ大說明催化劑的活性面積大，電子轉(zhuǎn)移的速率就越逡逑快，ＨＥＲ的性能也就越好。逡逑ｒｉ逡逑Ｓｌｏｐｅ邋｜逡逑Ｓｌｏｐ

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本文編號：2769068