MOFs衍生物錨定貴金屬團簇的構筑及其析氫性能研究
發(fā)布時間：2021-03-31 18:50
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。電化學水分解可獲得氫氣,但發(fā)展高效、廉價、穩(wěn)定的析氫反應（HER）電催化劑是實現(xiàn)大規(guī)模實際應用的關鍵。鉑（Pt）因其優(yōu)異的電化學活性和穩(wěn)定性,至今仍是最先進的電催化劑之一。然而,由于Pt資源稀缺,價格昂貴,這大大阻礙了其商業(yè)化。近年來,人們致力于開發(fā)Pt基催化劑的替代品,如過渡金屬及其化合物（硫化物、硒化物和磷化物）催化劑。然而,相對于Pt基催化劑,這類催化劑仍存在過電位高,電流密度較低,且合成過程復雜,污染環(huán)境等問題。因此,需要設計具有高活性和穩(wěn)定性的低貴金屬載量的新型催化劑,以實現(xiàn)低成本的實用制氫。在本文中,以金屬有機框架材料（Metal-Organic Frameworks,MOFs）為基體,創(chuàng)新性地設計和合成了錨定在MOFs衍生的氮摻雜碳材料上的鈷單原子和貴金屬釕團簇復合型催化劑（Ru@Co-SAs/N-C）,制備過程包括兩個步驟:（1）在預先設計的雙金屬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...
【文章來源】：武漢理工大學湖北省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：84 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
電解水制氫原理示意圖[2]
5H2O→1/2O2+2H++2e-（陽極反應）(1-5)在堿性或中性條件下：H2O+e-→1/2H2+OH-（陰極反應）(1-6)2OH-→1/2O2+H2O+2e-（陽極反應）(1-7)科研工作者將水的電解過程看作為兩個半反應，即在陽極上進行的氧化析氧反應（Oxygenevolutionreaction，OER），其熱力學理論平衡電位為1.23V（vsRHE，Reversiblehydrogenelectrode），以及在陰極上發(fā)生的還原析氫反應（Hydrogenevolutionreaction，HER），其熱力學理論平衡電位為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)生過電勢的影響，實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、析氧半反應極化曲線[18]Figure1-2Polarizationcurvesofhydrogenevolutionandoxygenevolution.目前，科研工作者通過減小電解水過程中產(chǎn)生的電阻和電極極化電勢，來實現(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的關鍵因素。近年來，研究人員致力于研究新型高效的電解水析氫催化劑，來提高電解水產(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金屬有機框架材料(MOFs)金屬有機框架材料（簡稱MOFs）是通過配位鍵的形式連接而形成的無限延伸的多孔三維晶體材料[19]。金屬有機框架材料的孔隙率高和比表面積大特性，再加上其結構中有機組分和無機組分的異常多變性，使MOFs在清潔能源方面具有潛在的應用價值，最主要的是可以作為氫氣和甲烷等氣體的儲存介質，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)學成像等方面的其他應用也越來越重要[20]。MOFs由于獨特的結構、豐富多樣的功能性質，在催化反應、氣體吸附及分離、能量轉換及儲存等領域都十分重要。到目前為止，科研工作者發(fā)現(xiàn)了許多使用不同的有機配體和金屬離子配位連接形成的MOFs，其種類個數(shù)已經(jīng)超過兩萬[21]。因此，選取不同的中心離子或配體，可以從根本上改變MOFs的結構、比表面積、孔隙率以及電化學性能。而且新型MOFs的研究也取得了突破性進展。例如，傳統(tǒng)上認為MOFs材料的導電性較差，這阻礙了它們在電催化領域的發(fā)展。近年來，隨著對MOFs的研究，已有課題組報道MOFs被用作活性儲能電極材料[22]。不同配體和離子形成的MOFs不僅具有各種各樣的結構，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合物，它們能夠獨立生長，也可以在不同的襯底上生長。
【參考文獻】：
博士論文
[1]基于金屬有機框架化合物設計制備碳基納米材料及其在電催化領域的應用[D]. 楊陽.中國科學技術大學 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 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催化方面的應用[D]. 朱朕.長春理工大學 2017
[2]堿性電解水析氫電極研究[D]. 徐超.湖南大學 2011
本文編號：3111908
【文章來源】：武漢理工大學湖北省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：84 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
電解水制氫原理示意圖[2]
5H2O→1/2O2+2H++2e-（陽極反應）(1-5)在堿性或中性條件下：H2O+e-→1/2H2+OH-（陰極反應）(1-6)2OH-→1/2O2+H2O+2e-（陽極反應）(1-7)科研工作者將水的電解過程看作為兩個半反應，即在陽極上進行的氧化析氧反應（Oxygenevolutionreaction，OER），其熱力學理論平衡電位為1.23V（vsRHE，Reversiblehydrogenelectrode），以及在陰極上發(fā)生的還原析氫反應（Hydrogenevolutionreaction，HER），其熱力學理論平衡電位為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)生過電勢的影響，實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、析氧半反應極化曲線[18]Figure1-2Polarizationcurvesofhydrogenevolutionandoxygenevolution.目前，科研工作者通過減小電解水過程中產(chǎn)生的電阻和電極極化電勢，來實現(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的關鍵因素。近年來，研究人員致力于研究新型高效的電解水析氫催化劑，來提高電解水產(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金屬有機框架材料(MOFs)金屬有機框架材料（簡稱MOFs）是通過配位鍵的形式連接而形成的無限延伸的多孔三維晶體材料[19]。金屬有機框架材料的孔隙率高和比表面積大特性，再加上其結構中有機組分和無機組分的異常多變性，使MOFs在清潔能源方面具有潛在的應用價值，最主要的是可以作為氫氣和甲烷等氣體的儲存介質，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)學成像等方面的其他應用也越來越重要[20]。MOFs由于獨特的結構、豐富多樣的功能性質，在催化反應、氣體吸附及分離、能量轉換及儲存等領域都十分重要。到目前為止，科研工作者發(fā)現(xiàn)了許多使用不同的有機配體和金屬離子配位連接形成的MOFs，其種類個數(shù)已經(jīng)超過兩萬[21]。因此，選取不同的中心離子或配體，可以從根本上改變MOFs的結構、比表面積、孔隙率以及電化學性能。而且新型MOFs的研究也取得了突破性進展。例如，傳統(tǒng)上認為MOFs材料的導電性較差，這阻礙了它們在電催化領域的發(fā)展。近年來，隨著對MOFs的研究，已有課題組報道MOFs被用作活性儲能電極材料[22]。不同配體和離子形成的MOFs不僅具有各種各樣的結構，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合物，它們能夠獨立生長，也可以在不同的襯底上生長。
【參考文獻】：
博士論文
[1]基于金屬有機框架化合物設計制備碳基納米材料及其在電催化領域的應用[D]. 楊陽.中國科學技術大學 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 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催化方面的應用[D]. 朱朕.長春理工大學 2017
[2]堿性電解水析氫電極研究[D]. 徐超.湖南大學 2011
本文編號：3111908
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/huaxuehuagong/3111908.html
最近更新
教材專著
