能源危機和環(huán)境問題是21世紀最受關注的問題之一,能源短缺和日益加劇的環(huán)境問題使得尋找可再生能源和清潔能源的技術的課題成為研究熱點。氫氣是一種清潔的、能量高的可再生能源,電化學分解水技術是一種有發(fā)展前景的制氫技術,它包括析氫反應（HER）和析氧反應（OER）兩個半反應。為了加快整體水電解的速率,電催化劑的使用必不可少,因此開發(fā)高效、廉價、環(huán)境友好的水分解反應催化劑十分必要。由于過渡金屬及其化合物具有地球儲量豐富、價格低和導電性高等一系列優(yōu)點,成為具有應用潛力的一類電化學催化劑。為了提高材料的電催化活性,本論文以三維多孔結構的鎳泡沫（NF）材料為基底,以過渡金屬V、Fe、Co、Ni為原料,制備了三種用于析氫和析氧反應的全水電解催化劑,具體工作如下:一.以V、Fe為金屬中心的金屬有機骨架材料（MOFs）為前驅體,經過低溫磷化制備了鐵摻雜的磷化釩電催化劑。利用MOFs結構可控、比表面積大、孔徑可調等優(yōu)點,通過調節(jié)兩種金屬的比例來實現(xiàn)對最終磷化物材料的比表面積、化學組成的調控,從而達到優(yōu)化催化性能的目的。同時,產生的過渡金屬磷化物可以提高材料的導電性,有利于HER和OER反應的進行。二.利用水熱... 

【文章來源】：長春理工大學吉林省

【文章頁數(shù)】：87 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

可再生氫能源的制備方法[29]

第1章緒論3圖1.2全水電解結構示意圖1.2.1析氫反應機理電催化析氫反應(Hydrogenevolutionreaction，HER)本質上是一個在電極/電解質界面處發(fā)生的還原反應的電化學過程。根據(jù)電解質的pH值的不同，通過還原質子(H+)或H2O兩種反應途徑產生H2，兩者都包括一系列分步反應。Tafel斜率是過電位與電流密度的對數(shù)值在線性區(qū)域的斜率，它可以通過繪制相應的LSV曲線來計算得到。通常，闡明不同HER電催化劑的確切工作機理是很困難的的一項工作。然而，Tafel斜率通�？梢宰鳛樗俾蚀_定步驟的參考數(shù)值，并且可以對可能的反應途徑提供一些解釋。理論上來講Tafel斜率分為三種[34-36]：Volmerstep(~120mVdec-1)、Heyrovskystep(40~120mVdec-1)、Tafelstep(~30mVdec-1)。HER在酸性、堿性電解質中的反應機理如下[37,38]：Volmer步驟(酸性條件):+→(1-5)Volmer步驟(堿性條件):+→+(1-6)Volmer-Tafel:+→(1-7)Volmer-Heyrovsky:++→(1-8)從方程中看到，電極表面的氫吸附和解吸是HER電催化的兩個連續(xù)步驟。然而，兩個過程在本質上是有競爭的:如果催化劑與氫原子結合強度太弱則不能有效地吸附中間反應物，而結合強度太強的催化劑將不利于產物的釋放。因此，理想的HER電催化劑應該具有良好平衡的氫結合強度和氣體釋放能力。根據(jù)Sabatier原理，HER的動力學速率在很大程度上取決于催化劑與H*之間的相互作用強度。[39,40]通過繪制不

第1章緒論4同催化劑H表面吸附能與交換電流密度形成的反應速率曲線，S.Trasatti為HER反應機理構建了第一條火山型曲線，發(fā)現(xiàn)Pt處于火山型曲線的頂點。[31,41]。在2004年，Nrskov’s小組收集了各種金屬的HER交換電流密度的實驗數(shù)據(jù)，用密度泛函理論(DFT)計算了氫在不同過渡金屬上的吸附自由能，并給出了第一個現(xiàn)代火山圖，如圖1.3所示。[42]結果完美地闡明了HER的反應機理，并提供了直觀的描述，揭示了HER的活性與氫結合能的關系。對于HER反應，相比于酸性電解液，在堿性電解液中產生質子(H+)需要更多的能量，所以大多數(shù)催化劑在堿性電解質中具有更緩慢的HER反應動力學。然而，酸性電解質具有強腐蝕性，對大多數(shù)電極具有腐蝕作用，不利于催化劑的穩(wěn)定性，所以在實際工業(yè)生產中，更多的利用堿性溶液作為HER反應的電解液。圖1.3H表面吸附的吉布斯自由能與交換電流密度的火山型曲線[42]1.2.2析氧反應機理電化學析氧反應(Oxygenevolutionreaction，OER)是電解水的關鍵步驟，由于OER是全水電解反應的決速步驟，所以其機理被研究者所關注，以求制備性能更加優(yōu)異的電催化劑。在酸性和堿性條件下，一般認為OER反應機理分別如下：[43,44]酸性條件總反應：2→4+4+(1-9)各步反應：+++(1-10)++(1-11)+++(1-12)+++(1-13)

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]功能鉬鈷基納米材料的制備及其在電化學領域中的應用[D]. 朱曉青.中國科學技術大學 2019
[2]非貴金屬電催化劑的合成及其性能研究[D]. 張顯.中國科學技術大學 2018

碩士論文
[1]鈷基過渡雙金屬電化學析氧催化劑的合成及性能研究[D]. 蔡福仙.閩南師范大學 2018
[2]高效水解離催化劑的制備及其析氫性能與機理研究[D]. 吳宜尚.中南林業(yè)科技大學 2018
[3]MOFs衍生納米催化劑的合成及其電解水性能的研究[D]. 王翔.蘭州大學 2018



本文編號：3444866