電解水反應(yīng)主要包含析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）兩個半反應(yīng)。其中催化劑因有效降低反應(yīng)能壘而受到廣泛關(guān)注。鈷基催化劑因具有儲量豐富、成本低廉、性能優(yōu)異等特點,被視為一種理想的非貴金屬催化劑。本文通過雜原子復合、引入導電基底等手段制備鈷基納米材料,進一步提高其電催化性能,同時系統(tǒng)地研究了所得材料的形貌、組成與電催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系。主要研究內(nèi)容如下:（1）制備原位生長在不銹鋼（SLS）上的花狀硫化鈷納米材料（CoS@SLS）。不銹鋼基底含有能夠催化OER的活性元素,進一步提高CoS@SLS的電化學性能。CoS@SLS在電流密度為10 mA cm^-2時的過電位為318 mV,并且在循環(huán)14 h后材料仍保持82%的催化活性。（2）通過電沉積法制備均勻生長在泡沫鎳（NF）上的片狀尖晶石型錳鈷氧化物（MnCo₂O₄）納米材料（MnCo₂O₄/NF）。由于鎳元素可以高效催化HER,選擇泡沫鎳作為HER催化劑的基底,比其它基底更為適宜。實驗通過控制錳鹽與鈷鹽的投料比,沉積電壓與沉積時... 

【文章來源】：南京理工大學江蘇省 211工程院校

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【學位級別】：碩士

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氫氣的來源與應(yīng)用

?謎廡┠芰拷??腫臃紙?成H2和O2，即光解反應(yīng)[15]。在光解水制氫的過程中，用來吸收太陽光的半導體材料起決定性因素。概括來說，當太陽光照射半導體時，一部分能量大于或等于半導體帶隙能量的光子撞擊到半導體表面，材料內(nèi)部的電子受到激發(fā)從價帶躍遷到導帶，價帶中產(chǎn)生空穴，光生電子空穴對就出現(xiàn)了，然后在半導體的不同位置驅(qū)動著水分解的反應(yīng)，將水還原成氫氣或氧化成氧氣[16]。1.2.3.3電解水制氫電解水制氫是一種有效的水分解制氫技術(shù)，由于電解水反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所以整個體系需要引入電能作為驅(qū)動能源。如圖1.2所示，電解水的基本裝置由電源、陽極、陰極和電解質(zhì)組成，其中直流電源用于提供電子和維持電能循環(huán)[17]。在電解水的過程中，氫離子向陰極移動，氫氧根離子向陽極移動。電子從直流電源的負極流出，被陰極吸附的氫離子消耗從而形成氫氣。同時氫氧根離子(陰離子)在陽極的表面與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，并釋放電子。電子通過陽極的傳遞回到直流電源的正極，保持電荷的平衡。由于裝置中包含隔膜和氣體接收器，可以分別從陰極和陽極收集電解水過程中產(chǎn)生的氫氣和氧氣。在實際研究中，電解質(zhì)通常是由離子組成，一般使用的是氫氧化鉀溶液，既可以提高電導率，又可以避免酸性電解液對電極的腐蝕損壞。圖1.2電解水系統(tǒng)的簡易裝置圖到目前為止，已經(jīng)開發(fā)和使用的電解裝置有質(zhì)子交換膜、堿性和固體氧化物電解池。在質(zhì)子交換膜電解池中，水中的氫離子(H+)穿過交換膜后在陰極發(fā)生反應(yīng)生成H2，電解池中保留水和氧氣。在堿性和固體氧化物電解池中，水在陰極發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生H2，剩余的氫氧根離子(OH-)通過電解質(zhì)的傳遞到達陽極，在陽極表面發(fā)生反應(yīng)生成O2。整個體系的化學反應(yīng)方程式[18]可以寫為：質(zhì)子交換膜電解池：陽極：2H2O→O2+4H++

碩士學位論文幾種含鈷納米材料的制備及其電催化性能研究5堿性和固體氧化物電解池：陽極：4OH-→O2+2H2O+4e-陰極：2H2O+2e-→2OH-+H2相比于眾多的制氫技術(shù)，電解水制氫具有較好的發(fā)展前景。它具有實用性、靈活性和產(chǎn)物高純度等眾多優(yōu)點，有望通過工藝改進，提高能效，降低安裝和操作成本等手段實現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模產(chǎn)氫這一目標。1.3電解水制氫的基礎(chǔ)知識早在1789年，JanRudolphDeiman和AdriaanPaetsvanTroostwijk就發(fā)現(xiàn)電能夠分解水。1888年，DmitryLachinov又研發(fā)了一種可以在工業(yè)上應(yīng)用電解水制取氫氣和氧氣的工藝方法[19]。隨著幾百年來廣泛而深入的科學研究，電解水制氫的理論基礎(chǔ)也不斷地完善。如圖1.3所示，電解水制氫主要由兩個半反應(yīng)組成[20-21]:陰極表面發(fā)生的析氫反應(yīng)(HER)和陽極表面發(fā)生的析氧反應(yīng)(OER)。圖1.3電解水制氫裝置中的HER和OER示意圖1.3.1析氫反應(yīng)一般認為HER反應(yīng)的實質(zhì)是二電子轉(zhuǎn)移過程，即系統(tǒng)經(jīng)過兩個電子的轉(zhuǎn)移后在材料表面生成了一個H2分子的過程。圖1.4以金屬Pt為例，簡單描述了HER的反應(yīng)路徑[22]。反應(yīng)需要經(jīng)歷兩個反應(yīng)步驟：(1)第一步反應(yīng)稱為Volmer反應(yīng)，主要由放電反應(yīng)引發(fā)，其實質(zhì)是H+與電子反應(yīng)生成H原子，并吸附在材料表面。反應(yīng)方程式為：H+(aq)+e+*→H*其中星號*表示活性位點，H*表示與活性位點結(jié)合的一個氫原子。(2)第二步反應(yīng)有兩種，第一種反應(yīng)稱為Tafel反應(yīng)，反應(yīng)過程是材料表面吸附的氫原子相互結(jié)合在溶液中形成了H2。反應(yīng)方程式為：H*+H*→H2(g)+2*第二種反應(yīng)稱為Heyrovsky反應(yīng)，即溶液中的電子與H+，材料表面吸附的氫原子相互結(jié)合，產(chǎn)生氫氣。反應(yīng)方程式為：H*+H+(aq)+e→H2(g)+*


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