電催化全解水中鈷類催化劑性能提升的相關(guān)策略研究
發(fā)布時間：2021-02-16 18:42
化石燃料消耗造成的環(huán)境問題愈發(fā)嚴重,電催化全解水驅(qū)動的氫經(jīng)濟成為解決這一問題的理想途徑。但是已有的貴金屬基衍生物催化劑由于儲量和價格問題,極大程度的限制了氫經(jīng)濟的發(fā)展。因此,廉價、豐富、高活性、耐久的全解水催化劑的開發(fā)顯得至關(guān)重要�；诖�,本研究以目前先進的材料設(shè)計策略為基礎(chǔ),探究了其中摻雜和界面對于氧化鈰和堿式碳酸鈷電催化全解水性能的影響,其具體內(nèi)容包括以下兩部分。1.通過溶劑熱隨后熱分解剝離的兩步合成方法,從具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的CeCO3OH前驅(qū)體中,剝離得到了二維CeO2納米片,合成中Co鹽的加入不僅促進了納米片形貌的形成,而且成功在晶格中引入摻雜劑Co。研究結(jié)果證明Co的引入,促進了表面氧缺陷的增加,提升了材料的催化劑性能。最終,該催化劑材料表現(xiàn)出優(yōu)異的HER活性,在電流密度為100 mA/cm2時,過電位為132 mV,在相同條件下純CeO2需要301 mV的過電位。并且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性,在-0.15 V和-0.20V（vs RHE）14 h的恒電壓測試后,電流密度的分別僅降低了5%和7%。...
【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：76 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
基于電催化的可持續(xù)能源格局示意圖[1]
電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2高產(chǎn)出，高效高選擇性的電驅(qū)動的能源經(jīng)濟仍存在巨大的挑戰(zhàn)。瓶頸在于仍需發(fā)展更多更有效的低廉高效的電催化材料去實現(xiàn)這一偉大藍圖。電催化全解水反應(yīng)作為最古老的電催化體系，毫無疑問，在未來理想的能源經(jīng)濟結(jié)構(gòu)中扮演著十分重要的環(huán)節(jié)。全解水反應(yīng)是指通過電催化將水電解產(chǎn)生氫氣及氧氣，反應(yīng)溫和，來源廣泛，而且產(chǎn)出的兩分子量的氫氣可作為能源載體能有效的解決化石能源帶來的儲量有限以及環(huán)境污染問題[7]。除此之外，氫燃料電池具有更高的能源利用效率，相對于普遍低于35%的熱機效率，氫燃料電池可輕而易舉的達到超過60%的效率[8]。1.2全解水反應(yīng)的基本原理圖1-2質(zhì)子交換膜電解池電解水制氫示意圖[9]全解水裝置是將水通過電化學(xué)的方法分解成H2和O2，由陰極的析氫反應(yīng)（HER）和陽極的析氧反應(yīng)（OER）組成，如圖1-2。在標準大氣壓，常溫條件下該反應(yīng)所需的理論熱力學(xué)電壓是1.23V(ΔG=237.2kJ/mol)[9]，但是由于實際反應(yīng)過程中HER和OER兩個半反應(yīng)的動力學(xué)限制，全解水實際所需的電壓都遠遠大于1.23V，意味著需要過量電能輸入驅(qū)動全解水體系電解制氫產(chǎn)氧。目前商業(yè)化全解水裝備的工作電壓為1.8-2.0V[10]。在全解水裝置中，貴金屬（Pt）以及貴金屬氧化物（RuO2，IrO2）是常見的商業(yè)化催化劑。貴金屬基催化劑在全解水體系中電解穩(wěn)定性高，反應(yīng)效率高。但貴金屬基催化材料，資源稀缺，價格昂貴也成為了領(lǐng)域目前存在的巨大問題。[7]因此，針對新一代的全解水體系，進一步開發(fā)新型，低廉，高效的電催化劑材料，以降低能量消耗和生產(chǎn)成本是今后的重要研究方向。
電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4催化性能[16]。研究認為該催化劑中Ru雜原子的引入可以有效的降低Volmer步驟的反應(yīng)能壘從而最終表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。圖1-3酸性和堿性溶液中HER的機理示意圖[9]如上節(jié)提到的反應(yīng)方程式，在不同溶液條件下，HER具有不同的反應(yīng)機理。酸性：電化學(xué)氫吸附（Volmer步驟）H++M+e-→M-H*（1-6）電化學(xué)脫附（Heyrovsky步驟）H++M-H*+e-→H2+M（1-7）化學(xué)脫附（Tafel步驟）2M-H*→H2+2M（1-8）在酸性溶液中，催化劑附近的H+得到一個電子并且吸附在表面形成反應(yīng)中間體H*（Volmer步驟）。隨后反應(yīng)中間體與溶液中的H+結(jié)合并得到一個電子（Heyrovsky步驟）或者與相鄰的另一個反應(yīng)中間體H*結(jié)合生成H2（Tafel步驟）。其中，反應(yīng)中間體H*與催化劑表面的相互作用強度影響著HER的反應(yīng)速率。相互作用太弱，則表面的反應(yīng)中間體H*形成較慢，從而不利于反應(yīng)的快速進行。相互作用太強，則反應(yīng)產(chǎn)物很難從材料表面上脫附，影響新反應(yīng)中間體的形成。在理論研究上，研究人員為了更加直觀的評估催化劑的HER活性，將H的吸附自由能（ΔGH*）作為了“描述符”，ΔGH*的數(shù)值大小反映了H吸附和H2脫附過程的強弱[17]。在理想條件下，最優(yōu)的HER材料的ΔGH*應(yīng)該盡可能接近零。帕森斯最早將j0值和ΔGH*關(guān)聯(lián)起來，并提出了“火山圖”的概念。研究人員依次根據(jù)實驗j0值與ΔGH*相關(guān)性確定了“火山圖”的趨勢。如圖1-4，火山圖山峰位于ΔGH*
【參考文獻】：
期刊論文
[1]氧還原碳基非貴金屬電催化劑研究進展[J]. 鐘國玉,王紅娟,余皓,彭峰. 化學(xué)學(xué)報. 2017(10)
本文編號：3036774
【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：76 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
基于電催化的可持續(xù)能源格局示意圖[1]
電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2高產(chǎn)出，高效高選擇性的電驅(qū)動的能源經(jīng)濟仍存在巨大的挑戰(zhàn)。瓶頸在于仍需發(fā)展更多更有效的低廉高效的電催化材料去實現(xiàn)這一偉大藍圖。電催化全解水反應(yīng)作為最古老的電催化體系，毫無疑問，在未來理想的能源經(jīng)濟結(jié)構(gòu)中扮演著十分重要的環(huán)節(jié)。全解水反應(yīng)是指通過電催化將水電解產(chǎn)生氫氣及氧氣，反應(yīng)溫和，來源廣泛，而且產(chǎn)出的兩分子量的氫氣可作為能源載體能有效的解決化石能源帶來的儲量有限以及環(huán)境污染問題[7]。除此之外，氫燃料電池具有更高的能源利用效率，相對于普遍低于35%的熱機效率，氫燃料電池可輕而易舉的達到超過60%的效率[8]。1.2全解水反應(yīng)的基本原理圖1-2質(zhì)子交換膜電解池電解水制氫示意圖[9]全解水裝置是將水通過電化學(xué)的方法分解成H2和O2，由陰極的析氫反應(yīng)（HER）和陽極的析氧反應(yīng)（OER）組成，如圖1-2。在標準大氣壓，常溫條件下該反應(yīng)所需的理論熱力學(xué)電壓是1.23V(ΔG=237.2kJ/mol)[9]，但是由于實際反應(yīng)過程中HER和OER兩個半反應(yīng)的動力學(xué)限制，全解水實際所需的電壓都遠遠大于1.23V，意味著需要過量電能輸入驅(qū)動全解水體系電解制氫產(chǎn)氧。目前商業(yè)化全解水裝備的工作電壓為1.8-2.0V[10]。在全解水裝置中，貴金屬（Pt）以及貴金屬氧化物（RuO2，IrO2）是常見的商業(yè)化催化劑。貴金屬基催化劑在全解水體系中電解穩(wěn)定性高，反應(yīng)效率高。但貴金屬基催化材料，資源稀缺，價格昂貴也成為了領(lǐng)域目前存在的巨大問題。[7]因此，針對新一代的全解水體系，進一步開發(fā)新型，低廉，高效的電催化劑材料，以降低能量消耗和生產(chǎn)成本是今后的重要研究方向。
電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4催化性能[16]。研究認為該催化劑中Ru雜原子的引入可以有效的降低Volmer步驟的反應(yīng)能壘從而最終表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。圖1-3酸性和堿性溶液中HER的機理示意圖[9]如上節(jié)提到的反應(yīng)方程式，在不同溶液條件下，HER具有不同的反應(yīng)機理。酸性：電化學(xué)氫吸附（Volmer步驟）H++M+e-→M-H*（1-6）電化學(xué)脫附（Heyrovsky步驟）H++M-H*+e-→H2+M（1-7）化學(xué)脫附（Tafel步驟）2M-H*→H2+2M（1-8）在酸性溶液中，催化劑附近的H+得到一個電子并且吸附在表面形成反應(yīng)中間體H*（Volmer步驟）。隨后反應(yīng)中間體與溶液中的H+結(jié)合并得到一個電子（Heyrovsky步驟）或者與相鄰的另一個反應(yīng)中間體H*結(jié)合生成H2（Tafel步驟）。其中，反應(yīng)中間體H*與催化劑表面的相互作用強度影響著HER的反應(yīng)速率。相互作用太弱，則表面的反應(yīng)中間體H*形成較慢，從而不利于反應(yīng)的快速進行。相互作用太強，則反應(yīng)產(chǎn)物很難從材料表面上脫附，影響新反應(yīng)中間體的形成。在理論研究上，研究人員為了更加直觀的評估催化劑的HER活性，將H的吸附自由能（ΔGH*）作為了“描述符”，ΔGH*的數(shù)值大小反映了H吸附和H2脫附過程的強弱[17]。在理想條件下，最優(yōu)的HER材料的ΔGH*應(yīng)該盡可能接近零。帕森斯最早將j0值和ΔGH*關(guān)聯(lián)起來，并提出了“火山圖”的概念。研究人員依次根據(jù)實驗j0值與ΔGH*相關(guān)性確定了“火山圖”的趨勢。如圖1-4，火山圖山峰位于ΔGH*
【參考文獻】：
期刊論文
[1]氧還原碳基非貴金屬電催化劑研究進展[J]. 鐘國玉,王紅娟,余皓,彭峰. 化學(xué)學(xué)報. 2017(10)
本文編號：3036774
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