隨著環(huán)境污染和能源危機的日益嚴重,發(fā)展新型的能源體系以替代化石燃料成為人們的首選。在這些新能源體系中,氫氣和氧氣往往參與重要的電極反應(yīng)。然而,多電子-質(zhì)子過程所需的高能壘嚴重限制了這些電極反應(yīng)的進行,需要高效、穩(wěn)定性好的電催化劑。盡管傳統(tǒng)的貴金屬催化劑展現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性,但考慮到成本和地球儲存豐度的問題,尋求價格低廉、地球儲存豐度高的非貴金屬催化劑更能推動可持續(xù)性發(fā)展。因此,基于銅優(yōu)異的電化學(xué)活性和高儲存豐度,本文分別設(shè)計了三種銅基非貴金屬電催化劑,并用于析氫（HER）或析氧（OER）反應(yīng)。一、以FeCl₃和CuCl₂的混合溶液為電鍍液,通過簡單的計時電勢法在泡沫鎳上同時電沉積Cu和Fe,制備了一種用于OER催化的多孔Fe₂Cu₅Ni電極。在電沉積過程中,Fe（III）和Cu（II）離子分別在泡沫鎳上轉(zhuǎn)變?yōu)镕e₂O₃和金屬Cu,并有少量CuO和NiO生成。當(dāng)電流密度為10 mA?cm^-2時,Fe₂Cu

【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：81 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

氫能轉(zhuǎn)化體系的概念圖

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文3Heyrovsky反應(yīng)(電化學(xué)脫附步驟，見式(1-2))。當(dāng)Cat-Hads的覆蓋率較高時，相鄰的兩個Cat-Hads相互結(jié)合生成氫分子，該過程被稱為Tafel反應(yīng)(復(fù)合脫附步驟，見式(1-3))[8-9]。H++Cat-Hads+e-→Cat+H2(反應(yīng)式1-2)2Cat-Hads→2Cat+H2(反應(yīng)式1-3)上述兩步的Tafel斜率分別為：b2,H=2.303RT/(1+β)F(1-2)b3,T=2.303RT/2F(1-3)圖1-2HER在酸性條件下的反應(yīng)機理圖在堿性介質(zhì)中，HER比較復(fù)雜且反應(yīng)動力學(xué)過程較為緩慢，主要是受限于水的解離。在堿性條件下，HER主要的過程為[10]：Cat+H2O+e-→Cat-Hads+OH-(反應(yīng)式1-4)H++Cat-Hads+e-→Cat+H2(反應(yīng)式1-5)2Cat-Hads→2Cat+H2(反應(yīng)式1-6)而在陽極，OH-脫去的質(zhì)子與溶液中大量的OH-結(jié)合，推動整個反應(yīng)向前進行。

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文11金屬催化劑的HER電催化活性，但是當(dāng)HER過程在這類金屬表面進行時，通常伴隨更高的覆蓋率，且不同表面空位的電催化活性也有很大的差異。此外，較高的電催化活性導(dǎo)致較大的交換電流密度，只有在高極化區(qū)才能忽視其反向電流的影響。同時，高電流密度下也可能引發(fā)氫的過飽和溶解，導(dǎo)致Tafel曲線的測量寬度和斜率都受到一定的影響[52]。這些不利因素導(dǎo)致低超電勢和中超電勢金屬催化劑表面HER的機理研究較為困難。因此，不能簡單地認為脫附理論或緩慢放電理論就能夠完美地解釋低/中超電勢金屬催化電極表面的HER過程。Pt是典型的低氫超電勢金屬催化劑，具有較易制備的高能晶面、表面容易清潔和體相中不易容納氫原子等優(yōu)點。因此，Pt常被用來研究中、低超電勢金屬表面的HER機理。由圖1-3可知Pt族金屬催化劑位于火山圖的頂端；高超電勢金屬催化劑位于火山圖的低端；而中超電勢金屬催化劑則位于其中部。由此可知，伴隨著金屬表面M-H鍵能的逐漸變強，起初有利于加快HER的反應(yīng)速率，隨后由于吸附較為強烈，則嚴重地限制HER的過程。同時，由圖1-3可知當(dāng)反應(yīng)中間體具有適當(dāng)?shù)臍湮侥芎透采w率時，電催化劑展現(xiàn)出最佳的反應(yīng)催化活性[53]。圖1-3M-H鍵強度與氫析出反應(yīng)交換電流之間的“火山型”關(guān)系[53]


本文編號：3241351