納米結(jié)構(gòu)碳/碳化鉬復(fù)合材料的制備及其電催化析氫性能研究
發(fā)布時(shí)間：2021-11-12 00:49
電解水是制備氫氣最有效的方法之一。探尋高效、廉價(jià)電催化劑來(lái)降低電解水析氫能耗、提升析氫（HER）效率引起科研工作者極大的興趣。由于與Pt具有相似的d能帶電子密度狀態(tài),碳化鉬基電催化劑已被證實(shí)具有較好電催化析氫活性,但仍存催化劑在制備過(guò)程中容易團(tuán)聚而導(dǎo)致催化活性降低、Mo-H鍵結(jié)合能大而導(dǎo)致氫氣不易析出等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)氮摻雜碳碳化鉬納米粒子,抑制粒子團(tuán)聚、增大電解液與材料接觸面、暴露更多活性位點(diǎn)、優(yōu)化碳化鉬電子結(jié)構(gòu),以期提升其電催化析氫性能,詳細(xì)探究材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系,具體內(nèi)容如下:（1）以聚丙烯腈為碳源、乙酰丙酮鉬為鉬源,用靜電紡絲及退火方法來(lái)制備氮摻雜碳納米纖維負(fù)載碳化鉬納米顆粒的復(fù)合材料（Mo2C/NCNFs）。研究靜電紡絲參數(shù)及退火溫度、原料投料比對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和形貌的影響,并進(jìn)一步探討復(fù)合材料結(jié)構(gòu)變化和氮摻雜對(duì)復(fù)合材料電催化析氫性能的影響,最終揭示影響電催化活性的關(guān)鍵因素。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明該材料具有良好的電催化析氫性能。更重要是Mo2C/NCNFs自支撐膜直接作為電催化劑,同樣具有優(yōu)異的HER性能。（2）采用噴...
【文章來(lái)源】：溫州大學(xué)浙江省
【文章頁(yè)數(shù)】：77 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
在酸性電解質(zhì)中催化劑表面上析氫的兩種機(jī)制：a）Volmer-Tafel機(jī)理;b）
溫州大學(xué)碩士學(xué)位論文面積和良好導(dǎo)電性的納米碳來(lái)分散碳化鉬，以防止納米顆粒的過(guò)度生長(zhǎng)[54]。與此同時(shí)，載體材料中的羧基或羥基官能團(tuán)有助于與 Mo 源反應(yīng)時(shí)的尺寸控制[55]。一個(gè)典型的例子是加入碳黑（CB），其比不加入載體的 Mo2C 電催化劑 HER 活性高了很多[56]。碳納米管（CNT）和碳凝膠（CXG）也作為 Mo2C 的載體被報(bào)道[57]，與 CB 相比，一維碳納米管支撐的 Mo2C 表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能 （圖 1-2a-c），這歸因于動(dòng)力學(xué)，一維碳納米管可以使得電荷和電子的轉(zhuǎn)移更有效，其特征在于 Mo2C/CNT 較低的電荷轉(zhuǎn)移阻力為 21 Ω cm2（與 Mo2C/CB 的 36.1 Ωcm2相比）[58]。Mo2C/CNTs 催化劑在測(cè)量的大部分電位范圍內(nèi)表現(xiàn)出比Mo2C/CXG 低的活性。這可能是由于 Mo2C/CXG 的比表面積（410 m2g-1）大于Mo2C/CNTs 的（182 m2g-1）[57,59]。
對(duì)于非金屬 N 原子的摻雜已有很多文獻(xiàn)報(bào)道。一種含有超小碳化鉬（Mo2米顆粒嵌入含氮碳（NC）納米層的 HER 電催化劑被 Liu 等人[75]設(shè)計(jì)出，該電流密度為 1 mA cm-2時(shí)，氮摻雜的碳和純的碳化鉬的過(guò)電位分別為 360 m 300 mV，而氮摻雜碳與碳化鉬的復(fù)合材料的（Mo2C @ NC）過(guò)電位為 60 m時(shí)Tafel斜率也僅有60 mV dec-1，具有較好的HER活性。并通過(guò)比較Mo2C@ Mo2C@C 之間電荷密度（D1）的差異，進(jìn)一步探索了 Mo2C@NC 中 Mo2C顆粒和 N 摻雜劑之間的協(xié)同效應(yīng)（如圖 1-4 所示）。在相應(yīng)的 D1 圖中觀察有碳原子上的藍(lán)色，確定了從 Mo2C 到 Mo2C@C 中的碳層的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程顯的。除了這個(gè)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程外，在 Mo2C@NC 中同時(shí)看到了從相鄰的 C（用黃色表示）到 N 原子的電子轉(zhuǎn)移。這些結(jié)果揭示了材料中 N 摻雜劑的電子特征。這反過(guò)來(lái)可以在 Mo2C@NC 中誘導(dǎo)一個(gè)復(fù)雜的電子轉(zhuǎn)移過(guò)Mo2C→C→N），使得相鄰的 C 原子既作為電子受體又作為電子給體發(fā)揮雙用。這一結(jié)果證明了 Mo2C 和 N 摻雜劑之間協(xié)同作用的存在，為碳層中與子相鄰的C原子提供了前所未有的催化活性，并使Mo2C@NC成為高效的H化劑。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]單原子催化——概念、方法與應(yīng)用[J]. 靳永勇,郝盼盼,任軍,李忠. 化學(xué)進(jìn)展. 2015(12)
本文編號(hào)：3489870
【文章來(lái)源】：溫州大學(xué)浙江省
【文章頁(yè)數(shù)】：77 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
在酸性電解質(zhì)中催化劑表面上析氫的兩種機(jī)制：a）Volmer-Tafel機(jī)理;b）
溫州大學(xué)碩士學(xué)位論文面積和良好導(dǎo)電性的納米碳來(lái)分散碳化鉬，以防止納米顆粒的過(guò)度生長(zhǎng)[54]。與此同時(shí)，載體材料中的羧基或羥基官能團(tuán)有助于與 Mo 源反應(yīng)時(shí)的尺寸控制[55]。一個(gè)典型的例子是加入碳黑（CB），其比不加入載體的 Mo2C 電催化劑 HER 活性高了很多[56]。碳納米管（CNT）和碳凝膠（CXG）也作為 Mo2C 的載體被報(bào)道[57]，與 CB 相比，一維碳納米管支撐的 Mo2C 表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能 （圖 1-2a-c），這歸因于動(dòng)力學(xué)，一維碳納米管可以使得電荷和電子的轉(zhuǎn)移更有效，其特征在于 Mo2C/CNT 較低的電荷轉(zhuǎn)移阻力為 21 Ω cm2（與 Mo2C/CB 的 36.1 Ωcm2相比）[58]。Mo2C/CNTs 催化劑在測(cè)量的大部分電位范圍內(nèi)表現(xiàn)出比Mo2C/CXG 低的活性。這可能是由于 Mo2C/CXG 的比表面積（410 m2g-1）大于Mo2C/CNTs 的（182 m2g-1）[57,59]。
對(duì)于非金屬 N 原子的摻雜已有很多文獻(xiàn)報(bào)道。一種含有超小碳化鉬（Mo2米顆粒嵌入含氮碳（NC）納米層的 HER 電催化劑被 Liu 等人[75]設(shè)計(jì)出，該電流密度為 1 mA cm-2時(shí)，氮摻雜的碳和純的碳化鉬的過(guò)電位分別為 360 m 300 mV，而氮摻雜碳與碳化鉬的復(fù)合材料的（Mo2C @ NC）過(guò)電位為 60 m時(shí)Tafel斜率也僅有60 mV dec-1，具有較好的HER活性。并通過(guò)比較Mo2C@ Mo2C@C 之間電荷密度（D1）的差異，進(jìn)一步探索了 Mo2C@NC 中 Mo2C顆粒和 N 摻雜劑之間的協(xié)同效應(yīng)（如圖 1-4 所示）。在相應(yīng)的 D1 圖中觀察有碳原子上的藍(lán)色，確定了從 Mo2C 到 Mo2C@C 中的碳層的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程顯的。除了這個(gè)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程外，在 Mo2C@NC 中同時(shí)看到了從相鄰的 C（用黃色表示）到 N 原子的電子轉(zhuǎn)移。這些結(jié)果揭示了材料中 N 摻雜劑的電子特征。這反過(guò)來(lái)可以在 Mo2C@NC 中誘導(dǎo)一個(gè)復(fù)雜的電子轉(zhuǎn)移過(guò)Mo2C→C→N），使得相鄰的 C 原子既作為電子受體又作為電子給體發(fā)揮雙用。這一結(jié)果證明了 Mo2C 和 N 摻雜劑之間協(xié)同作用的存在，為碳層中與子相鄰的C原子提供了前所未有的催化活性，并使Mo2C@NC成為高效的H化劑。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]單原子催化——概念、方法與應(yīng)用[J]. 靳永勇,郝盼盼,任軍,李忠. 化學(xué)進(jìn)展. 2015(12)
本文編號(hào)：3489870
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