日益嚴重的能源危機和環(huán)境污染問題,迫使全球努力開發(fā)清潔和可再生能源,以取代傳統(tǒng)的化石燃料。氫能因為具有資源豐富,熱值高,清潔等優(yōu)點,已成為最有前途的能源載體之一。然而,目前大約90%的氫是通過碳氫化合物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的,這既不節(jié)能也不環(huán)保。電化學水分解（2H₂O→O₂+2H₂）作為一種清潔高效的制氫和儲氫方法,近年來得到了廣泛的研究。因此,探索一種高效、經(jīng)濟、耐用的水分解電催化劑具有重要意義。目前最先進的催化劑主要為貴金屬基催化劑（HER的Pt電極以及OER的IrO₂和RuO₂電極）,然而貴金屬高成本、稀缺性的缺點限制了電解水的進一步發(fā)展。在近幾年的研究中,廉價易得的過渡金屬因其獨特的電子構(gòu)型,表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學性能,顯示出了可替代貴金屬作為電解水催化劑的潛力。本論文針對過渡金屬化合物（如硫化物,磷化物,氫氧化物）的優(yōu)點及存在的缺陷,結(jié)合一些導電基底材料（如泡沫鎳（NF））的優(yōu)點,分別從材料組成、形貌、電極結(jié)構(gòu)等方面對其進行了改進,以提高其電化學水分解性能,具體的研究工作如下:1.... 

【文章來源】：青島科技大學山東省

【文章頁數(shù)】：85 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

電化學水分解系統(tǒng)的示意圖

青島科技大學研究生學位論文5火山圖上可以觀察到，最理想的催化劑應(yīng)該存在于火山圖的頂峰，例如，Pt族金屬的ΔGH值是接近于零的。圖1-2.DFT計算的吸附氫吉布斯自由能與實驗測量的交換電流密度的火山圖[19]Fig.1-2.AvolcanoplotofexperimentallymeasuredexchangecurrentdensityasafunctionoftheDFT-calculatedGibbsfreeenergyofadsorbedatomichydrogen[19]1.3.2OER機理在標準條件下，OER的熱力學電位為1.23V，但是在實際測試中不可避免地會產(chǎn)生額外的過電位。有研究發(fā)現(xiàn)，除了IrO2材料外，發(fā)生在所有催化劑上的OER的基本步驟通常包括催化劑表面的OH和O的吸收[21]。此過程通常在堿性溶液中進行，與HER過程相似：OH-+*→OHads+e-；(1-12)OHads+OH-→H2O+Oads+e-；(1-13)其中*表示催化劑表面的氫氧根離子吸附位點，并且存在兩種產(chǎn)生氧氣的反應(yīng)途徑[22]：一步直接反應(yīng)：Oads+Oads→O2；(1-14)兩個中間產(chǎn)物Oads直接結(jié)合生成氧氣。兩步間接反應(yīng)：Oads+OH-→OOHads+e-；(1-15)OOHads+OH-→O2+H2O+e-；(1-16)Oads首先與OH-反應(yīng)生成OOHads，再與OH-偶聯(lián)生成氧氣。一步反應(yīng)通常比二步反

青島科技大學研究生學位論文351.76V)[117]、NiC/NiMo/NiMoOx(1.57V)[122]、FeCoNi@G(1.687V)[121]、NiCo2S4/NF納米線陣列(1.63V)[143]、Ni2P/NF(1.49V)[145]、Ni(PO3)2-MnPO4(1.41V)[119]。并且，其催化性能與報道的最優(yōu)的(Co，F(xiàn)e，Ni)9S8-MoS2(1.429V)催化劑[118]相差無幾，有希望在整體水分解上大規(guī)模應(yīng)用。為了驗證MoS2@Ni(OH)2/NF材料作為雙電極體系的耐久性，對電極進行了長時間的I-T測試。如圖3-4d所示，在1.46V的外加電壓下，其電流密度穩(wěn)定在10mAcm-2，在長達50小時的運行后，曲線保持平滑狀態(tài)，電流密度幾乎沒有任何衰減，表現(xiàn)出極佳的穩(wěn)定性。值得注意的是，目前的MoS2@Ni(OH)2/NF的耐久性(50h)比Ni2P-CoP/N-rGO(10h)[112]、FeCoNi@G(10h)[121]、MoS2/Ni3S2@NF(10h)[141]、Ni(PO3)2-MnPO4(50h)[119]、MoS2-Ni3S2/NF(48h)[140]和Cu@CoFeLDH(48h)[144]均要優(yōu)秀。為了進一步評估催化劑的穩(wěn)定性，經(jīng)過長達50個小時的穩(wěn)定性測試后，重新用SEM(圖3-5a)、EDX(圖3-5b)光譜以及XRD(圖3-5c)表征了MoS2@Ni(OH)2/NF的微觀形貌和電子結(jié)構(gòu)變化。從上述特征可以看到，經(jīng)過50小時以上的耐久性試驗，MoS2@Ni(OH)2/NF催化劑可以很好地保持其形貌、組分和晶體結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。圖3-5.經(jīng)穩(wěn)定性測試后的MoS2@Ni(OH)2的(a)SEM圖像；(b)EDX光譜和(c)XRD圖譜；插圖為放大后的SEM圖像Fig.3-5.(a)SEMimage,(b)EDXspectrumand(c)XRDpatternofMoS2@Ni(OH)2cathodeafterstabilitytest.TheinsetshowsthemagnifiedSEMimage.

【參考文獻】：
期刊論文
[1]激光直寫制備三維自支撐NiS2/MoS2復合電催化劑應(yīng)用于堿性和中性電解水制氫（英文）[J]. 程鵬飛,馮婷,劉紫薇,吳德垚,楊靜.  催化學報. 2019(08)
[2]水熱法-高溫煅燒處理制備NixCo1-xMoO4納米片陣列/泡沫Ni復合材料及其贗電容性能研究[J]. 余大江,郭紹義,袁永鋒,張志強.  浙江理工大學學報(自然科學版). 2016(06)
[3]硫碘熱化學循環(huán)水分解制氫流程優(yōu)化與模擬[J]. 陳云,王書婕,王智化,林祥東,張彥威,周俊虎,岑可法.  能源工程. 2013(06)



本文編號：3466416