能源消耗和緊缺是當(dāng)前世界面臨的重要問(wèn)題。為了緩解其帶給人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的緊迫感,科學(xué)家們一直在潛心研究和開(kāi)發(fā)新型能源。氫能因其清潔高效而成為新能源研究熱點(diǎn)。制備氫氣的常用方法之一是電解水制氫。它以水為原料,通過(guò)施加外電壓,在正、負(fù)兩極產(chǎn)生氫氣和氧氣。為了提高產(chǎn)氫效率,常在電極表面涂覆高效催化劑。迄今為止,Pt、IrO₂、RuO₂等貴金屬化合物仍是最理想的催化劑。然而,其價(jià)格高昂且儲(chǔ)量不足,無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)于成本和產(chǎn)量的雙重需求。因而,在不影響催化劑材料的催化活性和穩(wěn)定性的前提下,大幅度降低貴金屬的使用量或開(kāi)發(fā)高效的非貴金屬替代催化劑是非常必要的。利用催化活性物種的納米結(jié)構(gòu)化以及雜原子摻雜等策略,既可以增加催化活性位點(diǎn)數(shù)目,又可以調(diào)控電子結(jié)構(gòu)。本文以碳化鉬和碳化鎢為主要研究對(duì)象,通過(guò)納米化工藝和金屬摻雜,制備高效析氫、析氧催化劑,并探究了催化劑的納米結(jié)構(gòu)、組成與電催化活性之間的關(guān)系。主要內(nèi)容如下:（1）結(jié)合靜電紡絲和雜多酸（HPA）限域作用制備了Pt（acac）₂/HPA/PAN前驅(qū)體纖維膜,經(jīng)高溫碳化得到了負(fù)載在碳納米纖維上的... 

【文章來(lái)源】：江南大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

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電解水發(fā)展時(shí)間軸Fig.1-1Developmenttimelineofelectrolyticwater

磕諶縈刑剿韉緗饉?拇呋??懟⒖?⒌統(tǒng)殺靖嘰呋??實(shí)拇呋?痢⒀芯?催化劑材料的設(shè)計(jì)理論等方面[16,17]。這些關(guān)鍵性的研究有利于提高電解水的產(chǎn)氫效率并降低運(yùn)作成本，有望進(jìn)一步推動(dòng)氫能的快速發(fā)展，并解決全球所面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大難題。1.2.2電解水基本原理電解水技術(shù)由于具有產(chǎn)氫純度高、反應(yīng)過(guò)程無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)而被研究者們視為最理想的制氫工藝。該技術(shù)借助電解裝置，通過(guò)對(duì)裝置施加外電壓，將水分子分解為H2和O2[18]。通常情況下，電解水裝置主要由電解液、電極（陰極/陽(yáng)極）和電源這三個(gè)部分組成，如圖1-2所示[19]。眾所周知，純水當(dāng)中的水分子電離度極低，無(wú)法提供足夠的自由離子，以至于溶液導(dǎo)電性較差，進(jìn)而影響水分解效率。為了提高純水的導(dǎo)電能力，常在純水中添加一些電解質(zhì)，例如H2SO4、NaOH、KOH等[20]。作為電解水反應(yīng)核心部分，陰極和陽(yáng)極表面常涂覆一些高效催化劑以促進(jìn)電解水的反應(yīng)進(jìn)程[21]。圖1-2電解水裝置示意圖Fig.1-2Schematicdiagramofwaterelectrolysisdevice電解水過(guò)程包含兩個(gè)半反應(yīng)，即陰極析氫反應(yīng)（HER）和陽(yáng)極析氧反應(yīng)（OER）。在酸性、中性、堿性這三類(lèi)不同的電解液中，由于溶液所含H+或OH-濃度不同，導(dǎo)致陰極和陽(yáng)極反應(yīng)也相應(yīng)不同，具體反應(yīng)過(guò)程如下[22,23]：電解水總反應(yīng)式：2H2O→2H2↑+O2↑（1-1）在酸性（H+）電解液中：陰極：4H++4e-→2H2↑（1-2）陽(yáng)極：2H2O→O2↑+4H++4e-（1-3）在堿性（OH-）或中性電解液中：陰極：4H2O+4e-→2H2↑+4OH-（1-4）

。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（氣壓：1atm；溫度：298K），電解水反應(yīng)所需的理論電壓值為1.23V[24]。但在實(shí)際應(yīng)用中，水分解過(guò)程所需施加的外電壓往往高于理論值，原因在于其反應(yīng)過(guò)程存在的各種電阻和過(guò)電勢(shì)產(chǎn)生額外的電壓[25]。為了降低電阻和過(guò)電勢(shì)所帶來(lái)的能耗，研究者們一方面通過(guò)優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)以期降低電阻，另一方面通過(guò)開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的催化劑來(lái)降低反應(yīng)所需的過(guò)電位。目前而言，開(kāi)發(fā)高效且穩(wěn)定的新型催化劑對(duì)于提高氫能轉(zhuǎn)化效率更為重要[26-28]。1.2.3電解水析氫反應(yīng)（HER）機(jī)理概述陰極表面發(fā)生的析氫反應(yīng)，屬于二電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，如圖1-3所示[29]。在酸性電解液中，氫離子（H+）得到一個(gè)電子（e-）之后，在電極表面形成一個(gè)吸附態(tài)氫（H*），這一過(guò)程稱(chēng)為氫的吸附，也叫做Volmer反應(yīng)。Volmer反應(yīng)：H++e-+*→H*（1-6）隨后反應(yīng)途徑依據(jù)電極表面不同的吸附氫含量，相應(yīng)改變。當(dāng)電極表面的吸附氫（H*）含量足夠多時(shí)，吸附在電極同一表面相鄰的兩個(gè)H*更容易結(jié)合在一起生成氫氣，這一過(guò)程稱(chēng)為氫的脫附，也叫做Tafel反應(yīng)。Tafel反應(yīng)：H*+H*→H2（1-7）而當(dāng)電極表面的吸附氫（H*）含量比較少時(shí)，吸附在電極表面的H*更傾向于與電解液中的另一個(gè)氫離子（H+）以及另一個(gè)電子（e-）結(jié)合生成氫氣，此過(guò)程同樣為氫的脫附過(guò)程，被稱(chēng)為Heyrovsky反應(yīng)。Heyrovsky反應(yīng)：H*+H++e-→H2（1-8）在堿性電解液中，析氫反應(yīng)過(guò)程涉及到的反應(yīng)步驟與酸性電解液中的步驟相同，唯一區(qū)別在于，堿性電解液中的質(zhì)子來(lái)源于水分子。圖1-3酸性和堿性電解液中HER反應(yīng)機(jī)制Fig.1-3HERreactionmechanisminacidicandalkalineelectrolyte總的來(lái)說(shuō)，析氫反應(yīng)機(jī)理分為兩種，一種是Volmer-Tafel機(jī)理，另一種是Volmer-Heyrovsky機(jī)理[30]。可依據(jù)Tafel斜率值來(lái)推測(cè)催化析氫反應(yīng)可能遵循的反應(yīng)路

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]二硒化鉬/碳納米纖維雜化材料的制備及其析氫行為的研究[D]. 楊輝.浙江理工大學(xué) 2017



本文編號(hào)：3242336