發(fā)布時(shí)間：2021-04-02 09:28

　　隨著當(dāng)前能源需求的日益增加以及化石燃料燃燒導(dǎo)致的嚴(yán)重污染問題,新型無污染、清潔的能源儲(chǔ)備具有廣闊前景。氫氣（H₂）是一種清潔、無害的零排放燃料。電解水制氫是一種公認(rèn)的生產(chǎn)高純氫氣的環(huán)保方式。析氫反應(yīng)（hydrogen evolution reaction,HER）和析氧反應(yīng)（oxygen evolution reaction,OER）是水分解兩個(gè)重要的半反應(yīng)。水分解生成氧氣是一個(gè)四電子反應(yīng),其理論電勢(shì)為1.23 V。對(duì)于水的電解,催化劑的活性起著至關(guān)重要的作用。目前為止,許多過渡金屬電催化劑,如硫化物、硒化物、氮化物和硼化物,可能成為替代貴金屬的水分解催化劑。然而這些材料中,過渡金屬碳化物表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。碳化物與貴金屬Pt在d帶電子結(jié)構(gòu)上具有相似性,從而賦予金屬碳化物優(yōu)越的HER性能。由于較小的電子轉(zhuǎn)移電阻,將過渡金屬碳化物與導(dǎo)電性優(yōu)異的催化劑載體結(jié)合可以很大程度上改善其電化學(xué)活性及穩(wěn)定性。此外,由于過渡金屬的富電子特點(diǎn),也可以通過引入第二種過渡金屬或形成合金碳化物來提高過渡金屬的催化性能。通過引入第二種過渡金屬或形成合金可以有效減少過渡金屬未被占據(jù)的d軌道數(shù)量... 

【文章來源】：東北師范大學(xué)吉林省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

氫能源轉(zhuǎn)換和供給示意圖

3圖1-2水分解的示意圖1.3基于過渡金屬電催化水分解催化劑研究現(xiàn)狀1.3.1過渡金屬合金將一種過渡金屬與另一種或幾種過渡金屬經(jīng)混合熔化或者共還原方法可以制備合金金屬。合金金屬可以有效調(diào)節(jié)各自的電子結(jié)構(gòu)，因而可以表現(xiàn)出與一種過渡金屬不同的性質(zhì)。根據(jù)電催化的Sabatier原理[29]，催化劑的電催化活性取決于反應(yīng)中間體在電極表面的吸附能。對(duì)HER來說，催化劑活性遵循volcano-type關(guān)系，即優(yōu)異的催化劑的氫結(jié)合自由能（ΔGH）最接近零，這與貴金屬Pt接近[30]。研究表明，volcano曲線中兩種非貴金屬的結(jié)合可能導(dǎo)致活性增強(qiáng)。一些最新的文獻(xiàn)也報(bào)道了二元和三元金屬復(fù)合材料在HER方面具有優(yōu)異性能，如CoSn、CoSnZn及NiMo等[31-33]。在堿性電解質(zhì)中，鐵、鈷和鎳等地表豐富的過渡金屬被認(rèn)為是很有前途的替代品。此外，通過制備合金催化劑，例如WNi、MoNi及FeNi可以獲得比純鎳更高電催化活性[34,35]。在所有的二元金屬催化劑中，NiMo合金是堿性條件下活性最強(qiáng)的催化劑。McKone課題組[36]采用氧化鎳鉬前驅(qū)體通過化學(xué)還原合成超細(xì)非晶NiMo納米顆粒，在2MKOH條件下，電流密度達(dá)到20mAcm-2時(shí)，過電位僅為70mVvs.RHE。此外，可以通過制備不同結(jié)構(gòu)的納米催化劑來改善催化性能，具有較高比表面積的納米顆粒或多孔結(jié)構(gòu)可以最大限度地提供活性位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高催化性能。Ho課題組通過簡(jiǎn)單的水熱法和熱還原法合成泡沫鎳負(fù)載的NiMo納米線[30]，將電催化劑形貌改進(jìn)為納米線結(jié)構(gòu)，通過增加電催化劑的電化學(xué)活性位點(diǎn)，從而顯著提高了催化劑的電催化性能。在全水分解中，電流密度達(dá)到10mAcm-2時(shí)所需要的電位約為1.53V。除了納米結(jié)構(gòu)方法外，還可以通過調(diào)節(jié)金屬表面與不同氫鍵能的協(xié)同作用來增強(qiáng)過渡金屬合金的電催化活性[37-39]。Lu課題組采用電弧熔煉工藝和熔融紡絲?

14續(xù)表2-1Nafion分析純?nèi)鹪噭┯邢薰荆ㄟ|寧）氫氧化鉀（KOH）分析純阿拉�。ㄉ虾＃┱麴s水電阻率≥18MΩcm-1實(shí)驗(yàn)室2.2.2催化劑材料的合成按照文獻(xiàn)合成的方法，采用水熱法合成了WO3納米棒[141]。通過改變WO3與葡萄糖酸鈷的質(zhì)量（1：1、1：2、1：3、1：4、2：1和0：1）進(jìn)行比例優(yōu)化，研究其電催化性能。以質(zhì)量比為1：4為例（圖2-1），將質(zhì)量分別為200mg的WO3和800mg的葡萄糖酸鈷分散在蒸餾水中，強(qiáng)力攪拌20min。將混合物轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯作內(nèi)襯的高壓釜中，并將高壓釜放入180℃恒溫6h。待溫度降至室溫后，用去離子水洗滌三次，最后用乙醇洗滌一次進(jìn)行離心收集樣品，離心得到的前驅(qū)體樣品在60℃烘干，得到的一系列前驅(qū)體1：1、1：2、1：3、1：4、2：1和Co-glucose（未加WO3的質(zhì)量）。在氨氣氛圍下，將裝有樣品的陶瓷舟放入管式爐中900℃、恒溫2h煅燒，得到的催化劑材料依次命名為1/1-NH3、1/2-NH3、1/3-NH3、1/4-NH3和Co-glucose-NH3。此外將1：4的前驅(qū)體在氮?dú)鈿夥障?00℃、恒溫2h煅燒，即1/4-N2，對(duì)煅燒氣體的影響進(jìn)行研究。圖2-1Co6W6C合成示意圖2.2.3電極制備本工作在電化學(xué)工作站（CHI730E）上采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極系統(tǒng)進(jìn)行室溫下HER和OER電化學(xué)測(cè)試。采用催化劑負(fù)載的碳布作為工作電極（0.5cm×0.5cm，0.25cm2），采用Ag/AgCl和碳棒分別作為參比電極和對(duì)電極，所有電化學(xué)測(cè)試均在1MKOH中進(jìn)行。稱取8mg的1/4-NH3分散在1mLNafion溶液中（0.5wt%）超聲30min，直至溶液呈均勻分散液。然后，移取18μL上述均勻溶液涂在碳布上（576μgcm-2），修飾后的碳布在室溫下自然干燥。在本工作研究中，電位均轉(zhuǎn)換成可逆氫電極（ERHE=EAg/AgCl


本文編號(hào)：3115030