氫是一種潔凈、高效的二次能源載體,其與一次可再生能源耦合應(yīng)用有望根本性解決能源短缺、環(huán)境污染等全球性問題。利用太陽能、風(fēng)能、潮汐能等一次綠色能源產(chǎn)生的電能分解水,在提供可持續(xù)制氫方式的同時(shí),為可再生能源的有效利用提供了可行性方案,而實(shí)現(xiàn)這一愿景的關(guān)鍵在于發(fā)展高效能電解水技術(shù)。電解水涉及析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）兩個(gè)半反應(yīng)。貴金屬Pt和Ir基、Ru基氧化物分別因其優(yōu)異的HER、OER活性而為人們所熟知,但因資源稀缺和成本高昂,這些貴金屬催化劑難以得到廣泛的技術(shù)應(yīng)用。數(shù)十年來,各國(guó)研究人員積極致力于研發(fā)高效、低成本的HER/OER催化劑,在創(chuàng)制新材料、發(fā)展制備技術(shù)和深化機(jī)理認(rèn)識(shí)等方面取得了積極進(jìn)展,但現(xiàn)有催化劑的催化性能仍遠(yuǎn)低于實(shí)用要求。因此,研制高性能、低成本的HER/OER電催化劑用于降低反應(yīng)能耗仍是推進(jìn)電解水技術(shù)實(shí)用化進(jìn)程中亟待解決的關(guān)鍵問題�；诖搜芯楷F(xiàn)狀,本文以貴金屬Pt以及非貴過渡金屬磷化物、硼化物為研究對(duì)象,重點(diǎn)圍繞高效、低成本電解水催化劑的設(shè)計(jì)與制備、催化劑相組成-結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)聯(lián)性等科學(xué)/技術(shù)問題展開研究,取得主要進(jìn)展如下:（1）在密度泛函理論計(jì)算結(jié)果的指導(dǎo)下... 

【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：139 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

電解水系統(tǒng)示意圖[2]

而在堿性電解質(zhì)中,?GH*仍可用于描述堿性HER中氫中間體在催化劑表面的吸附行為。然而,研究人員在研究標(biāo)桿的Pt催化劑中發(fā)現(xiàn),其在堿性條件下的HER催化性能明顯不如在酸性條件下的活性[11]。造成這種活性差異最重要的原因之一是堿性HER通過不同于酸性溶液的基元步驟進(jìn)行。在堿性介質(zhì)中,由于缺乏質(zhì)子H+,HER首先將H2O分子解離而獲得質(zhì)子[12]。堿性HER涉及不同于酸性HER的Volmer(水解離)步驟(如方程式(1-4))以及Heyrovsky(氫復(fù)合脫附)步驟(如方程式(1-5))。因此,設(shè)計(jì)、制備有效的堿性HER催化劑需兼顧適中的氫吸附自由能?GH*和解離H2O所需的能量[7]。1.2.3 電化學(xué)析氧反應(yīng)機(jī)理與理論研究

在理論研究方面,Man等通過DFT計(jì)算研究了各種氧化物的活性起源,確定了HOO*和HO*的結(jié)合能之間的通用比例關(guān)系,從而引入了一個(gè)單一的描述符(ΔGO*-ΔGHO*)對(duì)OER活性進(jìn)行了通用描述[14]。Seh等參照這個(gè)簡(jiǎn)單的描述符繪制出多種金屬氧化物的OER活性圖,其結(jié)果顯示在1 mA cm-2cat處的實(shí)驗(yàn)過電勢(shì)能很好地疊加在理論過電勢(shì)火山曲線圖上(如圖1-4)[15]。這個(gè)單一描述符成功地解釋了各催化劑OER性能之間差異的本質(zhì),并為設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的OER電催化劑提供了理論指導(dǎo)依據(jù)。1.3 電化學(xué)析氫反應(yīng)電催化劑及其研究現(xiàn)狀


本文編號(hào)：3036933