日益加劇的全球能源和環(huán)境問題,給人類社會帶來重大影響。開發(fā)經(jīng)濟、高效和可持續(xù)的能源儲存、轉(zhuǎn)換體系為解決能源和環(huán)境問題提供了可行的方案。在眾多的能源儲存轉(zhuǎn)化體系中,電解水制氫及金屬空氣電池裝置具有高效、穩(wěn)定、可持續(xù)的優(yōu)點和廣泛的應(yīng)用前景,因而受到了廣泛的關(guān)注。這些裝置的運行主要涉及到了三種關(guān)鍵的電催化反應(yīng),即析氫反應(yīng)（Hydrogen evolution reaction,HER）、析氧反應(yīng)（Oxygen evolution reaction,OER）及氧還原反應(yīng)（Oxygen reduction reaction,ORR）。然而這些電催化反應(yīng)都不能在理論分解電位下進行,通常需要很大的過電位驅(qū)動才能發(fā)生。因此,設(shè)計合成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、具有高反應(yīng)效率的電催化劑非常關(guān)鍵。目前廣泛使用的貴金屬基催化劑,如Pt/C、RuO₂和IrO₂等對反應(yīng)過程展現(xiàn)出較好的催化活性,但貴金屬在地殼中豐度很低且價格昂貴,因而嚴重阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。設(shè)計合成廉價、高效、多功能的電催化劑對于打破電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備應(yīng)用瓶頸及緩解能源問題至關(guān)重要。本文從過渡金屬鈷基材料出發(fā),以提升催... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：88 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

HER催化劑中一些金屬和MoS2的火山型曲線

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文4MOOH+H2O(l)M+O2(g)+H++e-堿性條件中陽極反應(yīng)為：4H2O+4e-2H2+4OH-E0c=-0.83V堿性條件中陰極反應(yīng)為：4OH-2H2+2H2O(l)+4e-E0a=-0.40V堿性條件下反應(yīng)的機理為：M+OH-MOHMOH+OH-MO+H2O(l)2MO2M+O2(g)MO+OH-MOOH+e-MOOH+OH-M+O2(g)+H2O(l)圖1.2析氧反應(yīng)在酸性環(huán)境中的機理以及在堿性中的機理，分別對應(yīng)圖中藍色曲線以及紅色曲線。對于產(chǎn)生氧氣這一步驟，有兩種可能的路線，一種是黑色線所代表的經(jīng)過M-OOH的路線，另一種是兩個相鄰的（M-O）中間體直接反應(yīng)生成氧氣即綠色線代表的反應(yīng)路徑[14]。1.2.3氧還原反應(yīng)氧還原反應(yīng)(oxygenreductionreaction，ORR)是一種四電子或兩電子反應(yīng)[5,28]。在燃料電池中我們更期待通過四電子路徑以獲得更高的效率，而兩電子反應(yīng)路徑通常用以制備H2O2[28,29]。具體實驗過程種ORR的反應(yīng)路徑是由催化劑表面氧分解勢壘決定的，在堿性溶液中四電子路徑有兩種可能的反應(yīng)機理[30]：

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文6圖1.3金屬的氧還原反應(yīng)火山型圖[30]。1.2.4評價催化劑的參數(shù)過電位：過電位是用以評價催化劑催化表現(xiàn)最重要的標準之一，它可以給出實測電勢與熱力學(xué)平衡電位之間的電位差[17,34-35]。通常在理想狀態(tài)下，驅(qū)動反應(yīng)發(fā)生的電勢應(yīng)等于反應(yīng)達到平衡時的電勢；但在實際反應(yīng)中，為了克服反應(yīng)的電極動力學(xué)勢壘，反應(yīng)通常需要施加更大的電勢來驅(qū)動反應(yīng)發(fā)生。過電位通常分為活化過電位、濃差過電位以及阻抗過電位；活化過電位可以通過使用合適的電催化劑來降低；濃差過電位是由溶液和電子表面離子擴散率的不同而造成的，它可以通過攪拌來降低；另一個過電位是由阻抗引起的過電位，發(fā)生在測試系統(tǒng)的表面以及界面處，表界面的電阻會引起明顯的電壓降，使得測得的過電位明顯大于真實值，它可以使用iR補償來抵消其對測試造成的影響。阻抗的值可以通過電化學(xué)工作站測得，也可以從Nyquist曲線中直接讀出。塔菲爾斜率：通過重新繪制極化曲線圖我們可以得到塔菲爾曲線圖，進一步擬合塔菲爾曲線圖我們可以得到塔菲爾斜率。塔菲爾斜率越小也就代表著在增加同樣電流密度所需的過電位越小，也就意味著更快的電荷傳導(dǎo)動力學(xué)。但是從極化曲線所得的塔菲爾斜率其中包含部分催化劑阻抗的貢獻，這可能是過多催化劑負載或差的電導(dǎo)率所導(dǎo)致的[14,17,36-38]。轉(zhuǎn)換頻率：定義為催化劑在單位時間每一催化劑位點所能轉(zhuǎn)化期望產(chǎn)物所需反應(yīng)物的數(shù)量，我們可以通過這一指標評估催化劑位點的本征活性[17]。然而，對

【參考文獻】：
期刊論文
[1]New design paradigm for heterogeneous catalysts[J]. Aleksandra Vojvodic,Jens K.N?rskov.  National Science Review. 2015(02)



本文編號：3298954