【摘要】：氫能是一種清潔、可再生的化石能源替代品,有望解決日益嚴(yán)重的環(huán)境和能源問題。目前,電解水制氫和儲氫材料(氨硼烷等)制氫是兩種高效的制氫方式。盡管催化劑研究發(fā)展迅速,Pt基催化劑仍然是催化制氫效率最高的材料,但高昂的價格限制了其廣泛應(yīng)用。碳基金屬雜化材料具有良好的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性、獨特的邊緣位置和協(xié)同效應(yīng),可用作產(chǎn)氫催化劑,具有很大的應(yīng)用潛力。基于此,本文利用小分子前驅(qū)體,通過熱處理的方法,調(diào)控了熱處理過程中的溫度、時間等變量,研究了Co/CoO@N-C復(fù)合物的生長過程,制備了具有較大比表面積、豐富孔結(jié)構(gòu)的Co/CoO@N-C催化劑。我們將其應(yīng)用于催化氨硼烷水解制氫,具有良好的催化效果。在298 K下,產(chǎn)氫速率為15.6 mol_(H2) mol~(-1)_(cat)at min~(-1),表觀活化能為54 kJ mol~(-1),循環(huán)5次后依然保持良好的催化性能,同比于其它Co基催化劑具有較為優(yōu)異的催化性質(zhì)。在以上工作基礎(chǔ)上,引入了另一種含釕(Ru)的小分子,將這兩種富含雜原子的小分子充分混合后熱解,通過對原料的比例、溫度、時間等調(diào)控,研究了CoRu納米合金的生長過程,可控制備了具有氮摻雜碳包覆金屬/合金結(jié)構(gòu)的雙功能制氫催化劑,其中CoRu_(0.25)@N-C性質(zhì)最優(yōu)。在電解水體系中,CoRu_(0.25)@N-C在酸性、堿性電解質(zhì)中均具有優(yōu)異的催化活性,在堿性條件下,電流密度為10 mA cm~(-2)時,過電位僅為27 mV,在酸性條件下的過電位為94 mV,經(jīng)過1000圈CV循環(huán)后催化活性基本保持不變。在298 K下,CoRu_(0.25)@N-C催化氨硼烷水解產(chǎn)氫速率可達(dá)457.8 mol_(H2) mol_(cat)~-11 min~(-1),表觀活化能為32.5 kJ mol~(-1)。這主要是由于金屬和N原子的摻雜可以協(xié)同優(yōu)化碳層的電子結(jié)構(gòu),有效的降低了反應(yīng)過程中的能壘,提高了產(chǎn)氫速率。由于碳層的保護,該催化劑循環(huán)5次后,催化活性保持了最初的96.1%,其形貌基本保持不變,無明顯的團聚現(xiàn)象。為了進(jìn)一步探究載體與金屬之間的協(xié)同作用,研究了不同載體和金屬(Ru)的不同結(jié)晶性對催化電解水制氫過程的影響。發(fā)現(xiàn)在相同條件下紫菜碳點(CDs)比未處理的紫菜和水熱后的紫菜渣更有利于Ru納米顆粒的分散,表現(xiàn)出更好的催化活性。通過研究Ru@CDs的生長過程,發(fā)現(xiàn)催化性能依賴于Ru納米顆粒的結(jié)晶性。
【圖文】：

1 緒論結(jié)合能較低，難以滿足室溫下儲氫的要求。相比之下，化學(xué)儲氫材料可整組成和結(jié)構(gòu)，提高其儲氫性能，近年來已成為研究熱點。復(fù)合氫化物的儲氫能力，如硼氫化鋰/鈉（LiBH4、NaBH4）和硼-氮化合物（如氨硼B(yǎng)H3等）。該類材料在制氫的過程中，條件溫和、易于控制、安全無污染大的應(yīng)用前景。

圖 1.1 三種工業(yè)制氫的主要途徑[5] 電解水制氫技術(shù)及研究進(jìn)展1 電解水制氫簡史及原理電解水制氫具有很長時間的發(fā)展歷史，如圖 1.2 所示[11]，1798 年，Jiaan 首次利用靜電裝置，觀測到電解水現(xiàn)象[12]。1800 年，William 和 An了電解水的產(chǎn)物是氫氣和氧氣[13]；1833 年 Faraday 通過定量分析總結(jié)驗，提出了法拉第定律[5, 14]；1869 年 Gramme 發(fā)明了直流發(fā)電機，將電為廉價的制氫技術(shù)[15]；隨著時間的推移，1970 年左右，在能源危機的，電解水制氫技術(shù)再次受到科研工作者的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是解決能源有效途徑之一[16]。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ426;TQ116.2

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本文編號：2653813