發(fā)布時間：2021-10-16 04:18

　　近年來,日益嚴(yán)重的環(huán)境問題以及能源的供不應(yīng)求使綠色的、可再生的氫能成為了人們的關(guān)注熱點(diǎn)。環(huán)境友好、高效率、低耗能是電解水的特有優(yōu)勢,因此被認(rèn)為是最具潛力的產(chǎn)氫方式。催化劑的使用在提高電解水效率上扮演著必不可少的角色。而在眾多催化劑中,Pt和Pt基催化劑表現(xiàn)出優(yōu)越的電催化析氫性能,而RuO₂、IrO₂等貴金屬氧化物是最佳的析氧電催化劑,但由于它們豐度極低、價格昂貴,從而無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用,因此尋求廉價高效的催化劑成為了最近幾年的研究熱點(diǎn),其中MOF基的非貴金屬催化劑也走進(jìn)了人們的視野并且用于電解水產(chǎn)氫研究。本論文的研究就是基于中心離子為過渡非貴金屬的MOF材料,將其制備為高效穩(wěn)定的電解水催化劑,以下是我們的主要研究工作:1.通過常規(guī)水熱法合成了金屬鹽為Cu²⁺、配體為均苯三甲酸的MOF199和含有二甲基咪唑的MOF199前驅(qū),并在氬氣流下高溫退火,制備了低成本的Cu@C納米復(fù)合催化劑用于HER產(chǎn)氫。它是富銅空心球與多孔碳的復(fù)合結(jié)構(gòu),有利于電子轉(zhuǎn)移,從而大大提高了HER催化性能,當(dāng)電流密度為10 mA·cm^-2<... 

【文章來源】：山西師范大學(xué)山西省

【文章頁數(shù)】：81 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

電解水制氫裝置示意圖

山西師范大學(xué)碩士學(xué)位論文6殊的形貌暴露了更多活性位點(diǎn)，而且增大了催化劑與電解液界面之間的接觸面積，便于電子的傳輸，其合成示意圖如下：圖1-2CoMoO-S/NF的合成示意圖Wang[43]合成的納米尺度MoP/Fe2P/RGO，Kuang[44]合成的CuCoO-NWs以及Cu3P@NF都說明了過渡區(qū)的非貴金屬以及化合物的有非常巨大的發(fā)展?jié)摿Α?3)非金屬原子摻雜的HER催化劑常見的用于元素?fù)诫s的非金屬原子有N、P、S、Se、B等，將他們與過渡區(qū)金屬以及碳材料摻雜可以實(shí)現(xiàn)提高電催化產(chǎn)氫的目的。大量的科研工作者也對此進(jìn)行了一系列研究，取得了不錯的進(jìn)展。Jiao[45]將NiCoSe進(jìn)行碳包覆，并將N元素?fù)诫s進(jìn)碳層，可作為雙功能的催化劑。此催化劑通過N元素的摻雜，提高了電荷轉(zhuǎn)移效率，改善了反應(yīng)動力學(xué)性能，從而調(diào)節(jié)中間體的吸附行為，而且硒化物的固有電阻率本來就不高，最終達(dá)到了改善HER電催化活性的目的。CoNiSe/NC-3具有高電荷轉(zhuǎn)移能力和多孔結(jié)構(gòu)，對HER和OER均表現(xiàn)出良好的性能。當(dāng)電流密度達(dá)到10mA·cm-2時，HER和OER分別只需要100mV和270mV的過電勢。在1.65V的電位下（電流密度20mA·cm-2），CoNiSe/NC-3可以催化全解水，這表明它可以替代貴金屬電催化劑。Cao[46]與他的團(tuán)隊合成了N、O、S共摻的而且被碳包覆的Ni3S2-NiS核-殼結(jié)構(gòu)（Ni3S2/NiS/NOSCs），可用作堿性介質(zhì)中析氫反應(yīng)（HER）和氧還原反應(yīng)（ORR）的雙功能電催化劑，對HER的電催化性能明顯提高，在10mA·cm-2的電流密度下具有180mV的低過電位，小的Tafel斜率（83mV·dec-1），長達(dá)15h的良好的長期穩(wěn)定性。材料良好的催化活性一可歸因于N、O、S、C與Ni3S2、NiS核-殼納米結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同效應(yīng)，再者是NiS和Ni3S2之間的界面效應(yīng)，其合成示意圖如下：

緒論7圖1-3Ni3S2/NiS/NOSCs的合成示意圖Xu[47]及課題組成員通過簡便的三亞乙基四胺輔助水熱法成功制備了S摻雜的多層MoSe2/氮化石墨烯雜化物（FL-S-MoSe2/NG），并作為析氫反應(yīng)（HER）的電催化劑進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，S摻雜的2-4層的MoSe2納米片暴露出豐富的邊緣位點(diǎn)，可以很好地植入氮摻雜石墨烯網(wǎng)絡(luò)中，形成穩(wěn)定的二維混合材料。與純相MoSe2相比，復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的HER電催化活性。據(jù)分析表明，電化學(xué)性能的提高受益于層狀的MoSe2暴露出大量的活性位點(diǎn)，然后與高導(dǎo)電氮化石墨烯緊密結(jié)合。研究表明B元素?fù)诫s石墨烯[48]、N、P共摻的3D介孔碳納米網(wǎng)[51]以及多種非金屬元素與一種或多種過渡金屬、它們的化合物以及碳材料之間互相組合作非貴金屬催化劑，都有非常光明的研究前景。1.4.2電化學(xué)OER催化材料研究進(jìn)展析氧反應(yīng)的過程是比較復(fù)雜的四電子轉(zhuǎn)移過程，而且其動力學(xué)速率相對來說比較遲緩，需要比較高的正電位來克服這一切，所以對于合適的催化劑的需求日益強(qiáng)烈，如果降低析氧反應(yīng)的過電位，那對于全解水的成本控制將是一個突破性的成就。(1)貴金屬OER催化劑從理論上來講IrO2、RuO2是目前最優(yōu)的OER貴金屬催化劑。Nguyena[49]介紹了一種簡便的一步法，合成了高度互連的納米多孔Ir-Pd合金，該合金具有優(yōu)異的雙功能電催化活性（氧還原和析氧反應(yīng)），Ir納米顆粒嵌入Pd納米網(wǎng)狀框架中可催化O2的產(chǎn)生，其中Ir與Pd的比為0.23：0.77是最優(yōu)比。這種三維結(jié)構(gòu)提供高密度的活性位點(diǎn)而且促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移。對析氧反應(yīng)表現(xiàn)出很高的活性（10mA·cm-2相對于可逆氫電極為1.628V的低過電位）。Shan[50]在現(xiàn)有的釕（Ru）和銥（Ir）氧化物納米晶體的基礎(chǔ)上，合成了核-殼Ru@IrOx納米晶體，其在界面上可以實(shí)現(xiàn)電荷的再分布。這項工作為通過合理促


本文編號：3439133