【摘要】：尿素電氧化在直接尿素燃料電池(DUFC)和電解制氫領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。DUFC是一種可利用工業(yè)廢水或人畜尿液中的尿素作為燃料來發(fā)電的新型燃料電池裝置。尿素電解制氫則是通過向含有尿素的水溶液中施加電能,在電解池的陽極發(fā)生尿素氧化,而在陰極得到氫氣,從而達(dá)到凈化污水和生產(chǎn)清潔能源的雙重目的。然而,尿素的陽極電氧化反應(yīng)起始氧化電位過高,催化劑的活性較差以及反應(yīng)機(jī)理不明確等問題仍限制著該領(lǐng)域的發(fā)展。因此,本論文從催化劑的結(jié)構(gòu)與改性,單電極的反應(yīng)機(jī)理等方面出發(fā),開發(fā)出適用于DUFCs高活性陽極和高效率尿素電解的多功能催化劑。具體內(nèi)容為:1.采用簡單的水熱反應(yīng)和進(jìn)一步的低溫磷化處理得到泡沫鎳負(fù)載多孔Ni_2P納米片電極。Ni_2P是由多個納米顆粒連接而成的多孔結(jié)構(gòu),孔徑分布在30-90 nm之間。粗糙多孔的納米片提高了Ni_2P催化劑的比表面積,暴露出更多的電氧化反應(yīng)活性位點(diǎn);開放的三維陣列結(jié)構(gòu)可提供足夠的電解液傳輸通道和反應(yīng)場所,加速界面反應(yīng)。電化學(xué)結(jié)果顯示,多孔Ni_2P@Ni foam納米片電極具有優(yōu)異的催化尿素電氧化性能,在5 M KOH+0.6 M CO(NH_2)_2溶液中,0.6 V下的峰值電流密度達(dá)到750 mA cm~(-2),比Ni(OH)_2@Ni foam前驅(qū)體要高出300 mA cm~(-2)。尿素電氧化過程的反應(yīng)物擴(kuò)散系數(shù)D_(urea)為6.23×10~(-5) cm~2 s~(-1),反應(yīng)的活化能Ea為11.93 kJ mol~(-1)。Ni_2P電極表面的尿素電氧化行為是典型的E-C反應(yīng)機(jī)理,尿素起始氧化電位即NiOOH的生成電位,在較高電位下可能發(fā)生著尿素的直接電氧化反應(yīng)。2.通過在水熱過程中加入鈷鹽和磷化處理得到泡沫鎳負(fù)載三維NiCoP納米線電極。NiCoP在形貌特征上表現(xiàn)出了Ni-Co的協(xié)同效應(yīng),即整體結(jié)構(gòu)保持了納米片狀陣列,而在單個片的細(xì)節(jié)上是由緊密連接的NiCoP納米線錐組成。且磷化后的納米線更加松散和粗糙,納米線的直徑為40-60 nm,長度約為500 nm。電化學(xué)結(jié)果顯示,NiCoP@Ni foam電極在5 M KOH+0.6 M CO(NH_2)_2的溶液中,0.6 V下的電流密度為594 mA cm~(-2)(略低于Ni_2P的654 mA cm~(-2)),而起始氧化電位僅為0.02 V(較Ni_2P負(fù)移200 mV)。在1 M KOH溶液中,NiCoP電極的Nyquist圖在高頻區(qū)的圓弧半徑也要明顯小于Ni_2P。上述結(jié)果證實(shí)了Co對尿素沒有催化活性,但以驅(qū)動Ni(OH)_2/NiOOH轉(zhuǎn)化反應(yīng)的形式參與到尿素電氧化中,即Co摻雜大幅度降低了NiOOH的生成電位,使尿素的起始氧化電位負(fù)移。
【圖文】：

圖 1.1 含脲廢水降解示意圖[47][25]在 2011 年對尿素燃料電池的性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)使用催化劑時，全電池的開路電壓為 0.5 V，而最大功率密度僅為一步提高電池的輸出性能，，Tao 等人[48]設(shè)計(jì)出一種鎳納米顆

圖 1.2 三種常見類型的 DUFCs 裝置示意圖基于 H2O2電還原方面的研究經(jīng)驗(yàn)，我們的研究團(tuán)隊(duì)還在直接尿素/過氧化氫燃料電池（DUPFC）方面做了大量工作。例如，我們制備了具有不同納米結(jié)構(gòu)（片狀，花狀，超薄片狀，繩狀）的 Ni(OH)2電極作為陽極，三維 Pd/C@TiC 陣列電極是陰極，組裝的
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM911.4;TQ116.2;TQ426

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本文編號：2691034