由于化石能源的不可再生性、能源需求和氣候變化的緊迫性,人們對我們能源未來安全和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展顯示出了高度重視。氫氣能源因其高的能量密度和發(fā)熱值被譽(yù)為人類的“終極能源”。在目前的制氫方法中,電催化水制氫成為研究的熱點(diǎn),但目前商業(yè)使用的貴金屬催化劑成本高且儲(chǔ)量有限阻礙了它們的大規(guī)模使用。過渡金屬基催化劑具儲(chǔ)量高、成本低且電子結(jié)構(gòu)獨(dú)特,在電催化領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。其中,鐵基化合物（如鐵基氧化物、羥基氧化物等）具有天然豐富、無毒且在強(qiáng)堿性條件下也具有高催化性能等優(yōu)點(diǎn),適用于電催化、超級電容器等電化學(xué)領(lǐng)域。氟基化合物作為一類很有前途的活性材料,其離子特性比硫化物、磷酸鹽、氧化物和氮化物等其他常用材料具有一些優(yōu)勢,已受到越來越多的關(guān)注。因此本文以鐵基氟化物和氧化物為研究對象,通過對其微觀調(diào)控或者進(jìn)行離子摻雜得到新型過渡金屬催化劑,提高其電催化析氧性能,并探究其作為電解水催化劑的催化作用機(jī)理,為電解水析氧催化劑提供了新思路。首先前驅(qū)體氟化鐵（Fe F3）通過一步簡單的溶劑熱法,在210℃下成功地將O原子替換F原子得到了純凈的Fe2OF4納米棒。在反應(yīng)過程中隨著時(shí)間的增加,Fe F3在正丙醇的作用... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

以電催化為基礎(chǔ)的可持續(xù)發(fā)展圖[3]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-3-圖1-2電解水裝置示意圖電解水發(fā)生的反應(yīng)因?yàn)殡娊庖盒再|(zhì)的不同而不同：電解液為酸性溶液時(shí)發(fā)生反應(yīng)：陰極：2-2H2eHV0θ(1-1)陽極：V1.232e2HO21OHθ-22(1-2)電解液為堿性溶液時(shí)發(fā)生反應(yīng)：陰極：-2-22H2OHH2eOV-0.83θ(1-3)陽極：2HOV4.02eO212OHθ-22-(1-4)電催化分解水總的化學(xué)方程式均為：222HO21OHV1.23θ(1-5)水裂解的熱力學(xué)理論電壓值是1.23V（25℃，1atm），而實(shí)際上電催化分解水通常需要1.8~2.0V的外加電壓，這是由于必須施加額外的電壓用來克服全解水過程中產(chǎn)生的過電勢。電解槽上加的總電壓的方程式為[12]：ΩcadηηηEV(1-6)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-7-會(huì)產(chǎn)生，因此氫吸附的自由能ΔGH對HER速率的影響占主要部分。如果氫與電催化材料表面結(jié)合太弱，則HER中的Volmer反應(yīng)會(huì)限制整體反應(yīng)速率；當(dāng)結(jié)合力太強(qiáng)時(shí)，整體的反應(yīng)進(jìn)程就由Heyrovsky/Tafel反應(yīng)來決定。因此，優(yōu)異的HER催化劑的必要條件是吸附自由能ΔGH0[26]。圖1-3電流密度與氫吸附自由能之間的火山形關(guān)系圖[27]圖1-3是HER電流密度與不同的金屬元素對氫的吸附Gibbs自由能之間存在火山形關(guān)系（volcanorelationship）圖[27]。圖中我們看出來，貴金屬Pt的ΔGH最�。ń咏�0）且Pt基金屬催化劑交換電流密度高，在電解水HER中性能優(yōu)異，但是價(jià)格昂貴且儲(chǔ)量較少不利于廣泛應(yīng)用，因此大量且低成本的非貴金屬基材料在電催化領(lǐng)域被人們關(guān)注。1.2.4全分解水簡介全水分解反應(yīng)是指在同一個(gè)電解槽內(nèi)，陰極電極和陽極電極使用同一種電催化劑同時(shí)進(jìn)行HER和OER過程。但是由于適用于HER的催化劑不一定同時(shí)具有優(yōu)秀的OER性能，反之亦然，所以在全分解水過程中過電勢通常較高，催化活性較低，同時(shí)穩(wěn)定性較差[28]，需要較大的外加電壓驅(qū)動(dòng)水分解的進(jìn)行。例如過渡金屬基磷化物、碳化物、硫化物等已經(jīng)在電解水析氫反應(yīng)中[29]展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，它們的氧化物、磷酸鹽等則被證實(shí)是良好的OER催化劑[30]。但是過渡金屬基氧化物（如氧化鎳）的OER性能在堿性電解液中表現(xiàn)穩(wěn)定且優(yōu)異，在酸性電解液中則會(huì)失去活性而變得不穩(wěn)定[31]。除此之外，全水分解的催化劑大部分都是在堿性電


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