氫氣具有較高的能量密度(120 MJ kg^-1),是一種高效、環(huán)保的能源介質(zhì)。電化學(xué)水分解可獲得氫氣,但發(fā)展高效、廉價(jià)、穩(wěn)定的析氫反應(yīng)（HER）電催化劑是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。鉑（Pt）因其優(yōu)異的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性,至今仍是最先進(jìn)的電催化劑之一。然而,由于Pt資源稀缺,價(jià)格昂貴,這大大阻礙了其商業(yè)化。近年來(lái),人們致力于開(kāi)發(fā)Pt基催化劑的替代品,如過(guò)渡金屬及其化合物（硫化物、硒化物和磷化物）催化劑。然而,相對(duì)于Pt基催化劑,這類催化劑仍存在過(guò)電位高,電流密度較低,且合成過(guò)程復(fù)雜,污染環(huán)境等問(wèn)題。因此,需要設(shè)計(jì)具有高活性和穩(wěn)定性的低貴金屬載量的新型催化劑,以實(shí)現(xiàn)低成本的實(shí)用制氫。在本文中,以金屬有機(jī)框架材料（Metal-Organic Frameworks,MOFs）為基體,創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)和合成了錨定在MOFs衍生的氮摻雜碳材料上的鈷單原子和貴金屬釕團(tuán)簇復(fù)合型催化劑（Ru@Co-SAs/N-C）,制備過(guò)程包括兩個(gè)步驟:（1）在預(yù)先設(shè)計(jì)的雙金屬ZnCo-ZIF熱解生成氮摻雜碳上錨定Co單原子（Co-SAs/N-C）;（2）在Co-SAs/N-C存在的情況下,將Ru金屬... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

電解水制氫原理示意圖[2]

5H2O→1/2O2+2H++2e-（陽(yáng)極反應(yīng)）(1-5)在堿性或中性條件下：H2O+e-→1/2H2+OH-（陰極反應(yīng)）(1-6)2OH-→1/2O2+H2O+2e-（陽(yáng)極反應(yīng)）(1-7)科研工作者將水的電解過(guò)程看作為兩個(gè)半反應(yīng)，即在陽(yáng)極上進(jìn)行的氧化析氧反應(yīng)（Oxygenevolutionreaction，OER），其熱力學(xué)理論平衡電位為1.23V（vsRHE，Reversiblehydrogenelectrode），以及在陰極上發(fā)生的還原析氫反應(yīng)（Hydrogenevolutionreaction，HER），其熱力學(xué)理論平衡電位為0V（vsRHE）[16]。如圖1-2所示。盡管水在理論狀態(tài)下分解電壓是1.23V[17]，但由于各種電阻因素以及極化產(chǎn)生過(guò)電勢(shì)的影響，實(shí)際上電解水需要的外加電壓比理論條件下大得多，約為1.8~2.0V。圖1-2電解水析氫、析氧半反應(yīng)極化曲線[18]Figure1-2Polarizationcurvesofhydrogenevolutionandoxygenevolution.目前，科研工作者通過(guò)減小電解水過(guò)程中產(chǎn)生的電阻和電極極化電勢(shì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電流利用效率最大化和能耗最小化。影響電解水產(chǎn)生電阻的因素有很多，例如電解槽的制作材料、形狀、大小以及電解液的不同。在工業(yè)電解水制氫過(guò)程中，為了降低由電阻產(chǎn)生的副作用以及損失，通常選取強(qiáng)堿水溶液作為電解液。圖1-3是堿性條件下電解水示意圖。電極材料的自身特性和表面狀態(tài)均是影響電極極化電勢(shì)的關(guān)鍵因素。近年來(lái)，研究人員致力于研究新型高效的電解水析氫催化劑，來(lái)提高電解水產(chǎn)氫的效率。

6圖1-3堿性條件下電解水示意圖[18]Figure1-3Schematicillustrationofalkalinewaterelectrolysis.1.3金屬有機(jī)框架材料(MOFs)金屬有機(jī)框架材料（簡(jiǎn)稱MOFs）是通過(guò)配位鍵的形式連接而形成的無(wú)限延伸的多孔三維晶體材料[19]。金屬有機(jī)框架材料的孔隙率高和比表面積大特性，再加上其結(jié)構(gòu)中有機(jī)組分和無(wú)機(jī)組分的異常多變性，使MOFs在清潔能源方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，最主要的是可以作為氫氣和甲烷等氣體的儲(chǔ)存介質(zhì)，以及滿足各種分離需要的高容量吸附劑。目前，MOFs在薄膜、薄膜器件、催化和生物醫(yī)學(xué)成像等方面的其他應(yīng)用也越來(lái)越重要[20]。MOFs由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、豐富多樣的功能性質(zhì)，在催化反應(yīng)、氣體吸附及分離、能量轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)存等領(lǐng)域都十分重要。到目前為止，科研工作者發(fā)現(xiàn)了許多使用不同的有機(jī)配體和金屬離子配位連接形成的MOFs，其種類個(gè)數(shù)已經(jīng)超過(guò)兩萬(wàn)[21]。因此，選取不同的中心離子或配體，可以從根本上改變MOFs的結(jié)構(gòu)、比表面積、孔隙率以及電化學(xué)性能。而且新型MOFs的研究也取得了突破性進(jìn)展。例如，傳統(tǒng)上認(rèn)為MOFs材料的導(dǎo)電性較差，這阻礙了它們?cè)陔姶呋I(lǐng)域的發(fā)展。近年來(lái)，隨著對(duì)MOFs的研究，已有課題組報(bào)道MOFs被用作活性儲(chǔ)能電極材料[22]。不同配體和離子形成的MOFs不僅具有各種各樣的結(jié)構(gòu)，形貌也是千姿百態(tài)（圖1-4）。MOFs的衍生材料的形貌包括零維量子點(diǎn)或者納米粒子、一維納米桿/納米管、二維納米片和三維塊狀納米復(fù)合物，它們能夠獨(dú)立生長(zhǎng)，也可以在不同的襯底上生長(zhǎng)。

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]基于金屬有機(jī)框架化合物設(shè)計(jì)制備碳基納米材料及其在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用[D]. 楊陽(yáng).中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2018
[2]鎳鈷基氧族催化電極的制備及其電解水性能研究[D]. 吳曉琳.浙江大學(xué) 2018

碩士論文
[1]雜原子摻雜的新型多孔碳材料的制備及其在電化學(xué)催化方面的應(yīng)用[D]. 朱朕.長(zhǎng)春理工大學(xué) 2017
[2]堿性電解水析氫電極研究[D]. 徐超.湖南大學(xué) 2011



本文編號(hào)：3111908