尋找清潔、可持續(xù)的綠色能源對替代傳統(tǒng)化石能源和緩解環(huán)境問題具有重要意義。氫氣因其燃值高、產(chǎn)物無污染等優(yōu)點,被認為是理想的能源。采用來源于太陽能、風能等可再生能源對水進行電解是制備高質(zhì)量氫氣的有效途徑。然而,在電解水中的析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）存在過高的過電位,這導致大量的能量消耗。因此,電解水制氫的實際應(yīng)用就需要高性能的HER和OER催化劑以提高氫氣生產(chǎn)效率。盡管貴金屬催化劑,如鉑（對HER有催化活性）和釕（對OER有催化活性）顯示出優(yōu)異的催化活性,但成本高、儲量少以及穩(wěn)定性差限制了它們的廣泛應(yīng)用。雜原子摻雜的過渡金屬雜化物在催化HER和OER表現(xiàn)出有希望的潛力,但其催化性能仍有待進一步提升。本論文工作以構(gòu)筑雜原子（氧摻雜、硒摻雜、磷摻雜）摻雜的非貴金屬催化材料為研究方向,通過對微觀結(jié)構(gòu)和形貌精準調(diào)控,開發(fā)低成本、高效的雜原子摻雜過渡金屬電解水催化劑,具體內(nèi)容包括以下三個方面。1、通過簡單溶液反應(yīng)使硫化銨中的硫逐步替換四水合鉬酸銨中的氧,進而獲得氧均勻摻雜的硫鉬酸銨前驅(qū)體材料,再通過熱解將其轉(zhuǎn)化為氧摻雜二硫化鉬（O-MoS₂）催化劑。探究了不同氧摻雜... 

【文章來源】：廣西師范大學廣西壯族自治區(qū)

【文章頁數(shù)】：96 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

可再生能源轉(zhuǎn)化圖[17]

廣西師范大學碩士學位論文3年，Lachinov首次發(fā)明了工業(yè)化電水解制取氫氣和氧氣的方法，使得電水解技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)化。到了20世紀70年代以后，由于全球能源危機的爆發(fā)以及人們對新型能源的迫切需求，使得電水解制氫技術(shù)再次成為人們的焦點。圖1.2電水解的發(fā)展歷程水分解的總反應(yīng)為：H2O→H2+1/2O2。它包括兩個半反應(yīng)，即發(fā)生在陰極上的析氫反應(yīng)（HER）和陽極上的析氧反應(yīng)（OER）[18]。根據(jù)不同的反應(yīng)條件，這兩個半反應(yīng)可以用不同的方式表達：（a）在酸性溶液中：陰極：2H++2e→H2陽極：H2O→2H++1/2O2+2e（b）在中性溶液中：陰極：2H2O+2e→H2+2OH陰極：H2O→2H++1/2O2+2e（c）在堿性溶液中陰極：2H2O+2e→H2+2OH陰極：2OH→H2O+1/2O2+2e對于陰極的HER反應(yīng)，雖然只是生成簡單的氫氣分子，但無論是在何種反應(yīng)介質(zhì)中，它都是一個多步驟的反應(yīng)過程，該過程主要分為三個反應(yīng)階段：即吸附階段（Volmer）、反應(yīng)階段和脫附階段（Heyrovsky或Tafel）。每個過程發(fā)生的反應(yīng)如表1.1所示：

廣西師范大學碩士學位論文5圖1.3部分HER催化劑的火山效應(yīng)圖對于陽極的OER反應(yīng)，則面臨更復雜的多電子轉(zhuǎn)移過程，在堿性條件下為4OH→2H2O+O2+4e反應(yīng)，在酸性或中性條件下為2H2O→4H++O2+4e反應(yīng)，OER反應(yīng)比較公認的機理如表1.2所示：表1.2酸性和堿性條件下OER的主要基元反應(yīng)AcidAlkalineM+H2O→M-OH+H++e-M+OH-→M-OHM-OH→M-O+H++e-M-OH+OH-→M-O+H2OM-O+H2O→MOOH+H++e-MOOH→M+O2+H++e-M-OH+OH-→MOOH+e-MOOH+OH-→M+O2+H2OM代表電催化劑表面的吸附位點通過上表我們可以看出，無論在什么介質(zhì)中，OER反應(yīng)都涉及多種中間產(chǎn)物的吸附、反應(yīng)和脫附過程，由于不同催化劑本身具有的電子特性不同，因此在多電子反應(yīng)過程中就涉及到不同的限速步驟。另外，Tafel斜率和電子傳遞系數(shù)相關(guān)聯(lián)，較小的Tafel斜率通常具有優(yōu)異的反應(yīng)動力，因此我們可以通過測試反應(yīng)過程中的Tafel斜率評價OER的機理過程。同樣的OER催化劑也有一個類似的“火山效應(yīng)圖”[20]。圖1.4部分OER催化劑的火山效應(yīng)圖

【參考文獻】：
期刊論文
[1]An efficient bifunctional electrocatalyst derived from layer-by-layer self-assembly of a three-dimensional porous Co-N-C@graphene[J]. Shichang Cai,Rui Wang,William M.Yourey,Junsheng Li,Haining Zhang,Haolin Tang.  Science Bulletin. 2019(14)
[2]Co9S8 nanowires@NiCo LDH nanosheets arrays on nickel foams towards efficient overall water splitting[J]. Jingan Yan,Ligang Chen,Xin Liang.  Science Bulletin. 2019(03)
[3]S,N co-doped carbon nanotube-encapsulated core-shelled CoS2@Co nanoparticles:efficient and stable bifunctional catalysts for overall water splitting[J]. Jing-Yu Wang,Ting Ouyang,Nan Li,Tianyi Ma,Zhao-Qing Liu.  Science Bulletin. 2018(17)



本文編號：3621619