發(fā)布時間：2021-07-14 06:47

　　隨著全球化石能源消耗的逐漸增加,開發(fā)環(huán)境友好型的可持續(xù)能源引起了人們的廣泛關注和研究。電解水技術(shù)是一種有效制備高純氫氣和高純氧氣的方法。然而,電解水反應被復雜的析氫析氧動力學過程所限制,這就需要高效的電催化劑來降低其過電位。目前,主要的高性能析氫電極材料和析氧電極材料分別為鉑基催化劑和釕/銥基催化劑,然而其有限的儲量和昂貴的價格極大地限制了全解水制氫和制氧的的大規(guī)模發(fā)展。因此,開發(fā)基于非貴金屬的高效穩(wěn)定的雙功能電解水催化劑對于實現(xiàn)可持續(xù)清潔能源技術(shù)來說具有特別重要的意義。Ni基金屬催化劑憑借著其來源豐富、穩(wěn)定性強、具有獨特的催化特性等優(yōu)勢,備受科研工作者的青睞。本論文致力于通過雜原子修飾的方法改性Ni基金屬催化劑,對Ni基金屬催化劑材料的微觀形貌、物相組成和電子結(jié)構(gòu)進行有效調(diào)控,改善Ni基金屬催化劑作為雙功能電解水催化劑的電催化性能,并結(jié)合DFT理論計算,為設計合成高效的雙功能電解水催化劑提供了理論和技術(shù)支持。本論文的主要內(nèi)容和結(jié)果如下:（1）本章節(jié)利用水熱生長和氫氣還原相結(jié)合的方法,在泡沫鎳基底上原位生長了硫原子修飾的Ni/Ni₃S₂納米片... 

【文章來源】：重慶大學重慶市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

氫能燃料電池原理和燃料電池汽車示意圖[14,15]

重慶大學碩士學位論文4操作簡單等優(yōu)勢，有著近百年的生產(chǎn)歷史。在電解水制氫過程中，電解池是其中重要的裝置，電解制氫生產(chǎn)過程都是在其中完成的，通過利用外加電壓的方法將水電解成純的氫氣和氧氣，可以減少對化石能源的消耗，并且電解過程中使用的電能主要來源于風能、太陽能等可再生能源，將太陽能、風能等可再生資源與電解水結(jié)合產(chǎn)生環(huán)境友好型的可再生能源，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的零排放[20,21]。理論上，電解產(chǎn)生1L氫氣需要消耗4.26Wh的電能(考慮能量損失)，大規(guī)模產(chǎn)氫成本還相對較高，開發(fā)高效廉價的雙功能電解水催化劑用來降低電解水成本，對于氫能的高效利用具有著重大的現(xiàn)實意義[22]。圖1.2電解水裝置示意圖[22]Fig.1.2Thediagramofanelectrolyzer1.3電解水產(chǎn)氫技術(shù)1.3.1電解水產(chǎn)氫的原理從圖1.2示意圖可以看出，電解槽裝置主要由三部分組成：電解液、陽極、陰極。雙功能電解水催化劑可以同時作為作陽極和陰極催化劑來催化電解水反應，通過施加一定的外部電壓，陰極部分就會由于H+或H2O得到電子發(fā)生還原反應生成H2，陽極部分則會由于OH-失去電子發(fā)生氧化反應生成O2和H2O，根據(jù)使用的電解質(zhì)類型不同，發(fā)生在電解水過程中的兩個半反應的電化學反應也有所區(qū)別�？偡磻篐2O→H2+1/2O2在酸性介質(zhì)中：陰極發(fā)生2H++2e-→H2陽極發(fā)生H2O→2H++1/2O2+2e-在酸性或堿性介質(zhì)中：

重慶大學碩士學位論文6直接結(jié)合而形成H2，該過程由Tafel斜率的大小決定。酸性溶液：2H++2e-→H2（總反應）反應步驟：H++e-+*→H*（Volmer）H++e-+H*→H2（Heyrovsky）或者：2H*→H2（Tafel）堿性溶液：2H2O+2e-→H2+2OH-（總反應）反應步驟：H2O+e-→H*+OH-（Volmer）H2O+e-+H*→H2+OH-（Heyrovsky）或者：2H*→H2（Tafel）Norskov等[28]人利用理論計算，總結(jié)歸納得到了一系列金屬的HER交換電流密度與氫吸附自由能(ΔGH*）之間的火山型關系圖。從圖1.3中可以看到，不同金屬所表現(xiàn)出的HER交換電流密度具有明顯差異，高HER活性的電催化劑對反應中間體的結(jié)合能既不太強也不太弱，如Pt和Pt族金屬的ΔGH*接近為0，具有適中的氫吸附自由能，表現(xiàn)出最優(yōu)的析氫反應活性。催化劑材料的性質(zhì)能直接影響并決定氫的吸附性能優(yōu)劣，從而造成了不同催化劑具有不同的HER活性。因此，開發(fā)具有適中氫吸附自由能的材料是設計高性能HER催化劑的關鍵。圖1.3HER交換電流密度與氫吸附自由能(ΔGH*）之間的火山型關系圖[28]Fig1.3VolcanoplotofHERexchangecurrentdensityasGibbsfreeofabsorbedhydrogen1.3.3析氧反應及機理析氧反應（OER），是H2O分子在陽極上發(fā)生的氧化反應。OER的機理與電極表面的構(gòu)造密切相關，不同電極材料的不同晶面會造成OER的機理有所區(qū)別，因為電極材料的不同而展現(xiàn)出不同的機理表現(xiàn)，比HER的二電子轉(zhuǎn)移過程更為復雜[29]。在堿性介質(zhì)中，學術(shù)界公認的OER總反應路徑包含四個獨立的電子轉(zhuǎn)移過程[30]：

【參考文獻】：
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