發(fā)布時(shí)間：2021-06-29 15:27

　　解決能源危機(jī)有效方法是選擇合適的可再生能源替代傳統(tǒng)能源,從而減少化石能源消耗。水電解是可以將太陽能、風(fēng)能產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為氫能的一項(xiàng)有效技術(shù)。目前,主要使用貴金屬基催化劑,但貴金屬的稀缺性和高成本阻礙了它們的大規(guī)模應(yīng)用。近幾年中,在開發(fā)用于析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）的單過渡金屬（STM）基硫化物,硒化物,氮化物和磷化物方面取得了重大進(jìn)展。然而,STM材料不穩(wěn)定,相比貴金屬電催化活性低。因此,開發(fā)用于電化學(xué)水分解的具有高效、耐用和低成本的新一代電催化劑仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。尖晶石結(jié)構(gòu)（AB₂X₄）材料,是一種基于混合過渡金屬的電催化劑,由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性,雙金屬原子的協(xié)同效應(yīng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而成為分解水的有效且耐用的電催化劑,正在水電解領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。本論文圍繞如何獲得高效穩(wěn)定的尖晶石結(jié)構(gòu)催化劑。通過調(diào)控形貌、成分,改變催化劑表面狀態(tài)、電子結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)催化劑改性和賦予特定功能,使其性能不斷提升。結(jié)合理論指導(dǎo)和試驗(yàn)探索,揭示催化的本質(zhì)。主要研究內(nèi)容如下:（1）系統(tǒng)研究尖晶石催化劑形貌與催化分解水性能的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)通過改變形貌可以有效調(diào)控尖晶石... 

【文章來源】：華中科技大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：131 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

氫能經(jīng)濟(jì)

3華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文1.2.1電解水的結(jié)構(gòu)和基本原理電解水時(shí)，由于純水屬于弱電解質(zhì)，導(dǎo)電能力差，所以為了使水能夠順利地電解成為氫氣和氧氣，需要加入電解質(zhì)，以增加溶液的導(dǎo)電能力。電解質(zhì)主要是硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀等。電解水裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-2所示。圖1-2水電解池的結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)電解液性質(zhì)不同，電解水基本原理分為兩種情況：在酸性溶液電解時(shí)陰極：2H++2e→H2θφ=0V陽極：H2O→12O2+2H++2eθφ=1.23V在堿性溶液中電解時(shí)，陰極：2H2O+2e→H2+2OHθφ=-0.83V陽極：2OH→12O2+H2O+2eθφ=0.4V兩種情況下的總反應(yīng)均為：H2O→12O2+H2θφ=1.23V槽電壓V:理論分解電壓Ed

5華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文（1）水溶液電解槽。主要由隔膜、電解液、陰極和陽極構(gòu)成。工業(yè)隔膜主要成分是石棉，通常電解液是濃度為20~30%的氫氧化鉀溶液(KOH)，陰陽兩極分別使用析氫和析氧催化劑，電解槽工作溫度70~100oC，壓強(qiáng)為100~3000kPa。圖1-3展示工業(yè)堿性水電解槽裝置。圖1-3工業(yè)用堿性水電解槽（2）聚合物薄膜電解槽(PEMElectrolyzer)。PEM是基于離子交換技術(shù)的高效電解槽，通用電氣公司在1966年研制出第一臺(tái)PEM電解槽。PEM電解槽主要由兩電極和聚合物薄膜組成，通常質(zhì)子交換膜與電極催化劑成一體化結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，多孔結(jié)構(gòu)催化劑電極緊貼在交換膜表面。PEM電解槽優(yōu)點(diǎn)只需要純水，沒有電解液，對電解槽無破壞；電解質(zhì)為質(zhì)子交換膜，具有質(zhì)子傳導(dǎo)性高，化學(xué)穩(wěn)定，氣體分離性好；可以在較高的工作電流工作，電解效率高，目前PEM電解槽的效率可以達(dá)到85%以上。缺點(diǎn)，nafion膜和電極使用貴金屬催化劑，價(jià)格昂貴，目前很難投入大規(guī)模使用。（3）固體氧化物電解槽(SolidOxideElectrolyzer)。固體氧化物電解槽始于1972年，特點(diǎn)是成本低，工作在高溫環(huán)境，部分電能由熱能提供，是目前三種電解槽中電解制氫效率最高，并且可以將廢熱通過熱能回收裝置利用起來，總效率達(dá)到90%。由于工作在高溫下(1000oC)，對材料和使用上存在一些問題。適合做固體氧化物材料主要是銥摻雜氧化鋯(YSZ)。盡管材料便宜，但加工工藝昂貴，使得固體氧化物電解槽的成本高于水溶液電解槽。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]電解水制氫技術(shù)進(jìn)展[J]. 倪萌,M.K.H.Leung,K.Sumathy.  能源環(huán)境保護(hù). 2004(05)

博士論文
[1]高指數(shù)晶面金屬納米結(jié)構(gòu)的可控合成及電催化性能研究[D]. 王成名.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2013

碩士論文
[1]幾種過渡金屬催化劑的制備及析氧性能研究[D]. 楊柳.石河子大學(xué) 2016



本文編號：3256690