【摘要】：氫氣以其高能量密度(120 MJ/Kg),環(huán)保及可再生性等特點成為未來化石能源的替代品之一。目前,在所有制氫技術(shù)中電解水是使用最廣泛的一種方法。電解水由析氫和析氧兩個反應(yīng)組成,對于析氫反應(yīng)而言目前最高效的電催化劑主要為金屬鉑和鉑的化合物,對于析氧反應(yīng)來說目前最高效的催化劑為釕化合物和銥化合物,但因它們在地球儲量稀少,成本高昂所以無法大規(guī)模應(yīng)用。合成成本低廉且高效的電催化劑,有效地降低析氫和析氧反應(yīng)過程中的過電勢從而降低電解水的能源消耗一直是研究人員所追求的目標(biāo)。本文的主要內(nèi)容包括:(1)通過簡單的一步溶劑熱法,在未添加任何活性劑或模板劑的條件下成功合成了多孔NiCo_2S_4網(wǎng)絡(luò)化合物。通過X-射線粉末衍射儀(XRD)、X-射線光電子能譜儀(XPS)、冷場掃描電鏡(SEM)、比表面積及孔隙分析儀(BET)、對其晶體結(jié)構(gòu)、形貌、元素價態(tài)和比表面積進(jìn)行了分析。由于其多孔和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu),以NiCo_2S_4為基礎(chǔ)的電極中表現(xiàn)出了良好的析氫性能,在1M KOH電解液中Tafel斜率為117.7 mV/dec,在10 mA/cm~2的電流密度下過電勢為250 mV,同時經(jīng)過1000圈的循環(huán)伏安(CV)測試之后線性伏安(LSV)曲線基本保持不變,表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。多孔NiCo_2S_4網(wǎng)絡(luò)化合物也具有良好的超級電容器性能,其在1 A/g的電流密度下比電容為1250 F/g,在充放電循環(huán)5000圈后比電容為原來的70.3%,表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。(2)通過簡易方法將片狀Co_2P成功地生長在碳布上(Co_2P-CC)。電化學(xué)測量結(jié)果表明,片狀Co_2P-CC表現(xiàn)出優(yōu)異的析氫催化活性,其在1M KOH中Tafel斜率為80 mV/dec,當(dāng)電流密度為10 mA/cm~2時過電勢為94 mV。同時片狀Co_2P-CC在中性(0.5M磷酸緩沖溶液)和酸性溶液(0.5M H_2SO_4)中也有良好的析氫性能,當(dāng)電流密度為10 mA/cm~2時,過電位分別為231和95 mV。片狀Co_2P-CC優(yōu)異的析氫性能可歸因于其具有大的有效電化學(xué)面積可以提供更多的表面活性位點,同時碳布是一種良好的導(dǎo)電基底,可以提高Co_2P導(dǎo)電性。測試結(jié)果表明,片狀Co_2P-CC是高效析氫催化劑的理想選擇。(3)通過電沉積在碳布基底上負(fù)載Cu_2O和Cu前驅(qū)體,然后將前驅(qū)體加入到硫脲溶液中,120℃水熱反應(yīng)24 h原位合成片狀CuS-CC復(fù)合物。利用XRD、XPS、SEM和透射電鏡(TEM)對CuS-CC復(fù)合物的形貌和組成進(jìn)行了表征,同時也利用電化學(xué)工作站對樣品進(jìn)行了與析氧相關(guān)的電化學(xué)測試,結(jié)果表明片狀CuS-CC復(fù)合物在1M KOH電解液中具有良好的析氧性能和優(yōu)異的穩(wěn)定性。在所有樣品中,電沉積中電流密度為1.5 mA/cm~2時樣品(1.5-CuS/CC)的析氧性能最優(yōu)異,當(dāng)電流密度為10 mA/cm~2時過電勢為358 mV。1.5-CuS/CC出色的析氧性能主要歸功于片狀的CuS與CC之間的協(xié)同作用,本工作證明納米片狀的CuS-CC復(fù)合物是一種潛在的電解水析氧理想材料。
【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
【圖文】：

電解水析氫反應(yīng)1 酸性條件下的電解水析氫電解水析氫的反應(yīng)式為：2H++ 2e-= H2（1.1），其在酸性電解質(zhì)中可能的反應(yīng)步驟來解釋：第一步為 Volmer 步驟，表示氫的吸附 H3O++ Habs+ H2O(l) (1.2)；接下來是 Heyrovsky 步驟（電化學(xué)解吸步驟） MH→ M + H2(1.3)或者是 Tafel 步驟（化學(xué)解吸步驟）2MHabs→ H2+ 2M (應(yīng)式中 M 表示空白的金屬反應(yīng)中心，MHabs吸附 H 的中間體[10]。圖 材料的交換電流密度與吸附氫的吉布斯自由能火山圖，當(dāng)吸附氫的吉能越接近于 0 時其析氫性能越好。由圖可以看出最具有潛力的催化劑山圖的頂端的 Pt，它與中間體 MHabs的結(jié)合既不太強也不太弱[11]。結(jié)會導(dǎo)致 Volmer 步驟速率太慢從而影響整個水分解反應(yīng)，而太強則會er 步驟很難發(fā)生從而使影響后續(xù)的 Heyrovsky 或是 Tafel 步驟的發(fā)生使分解反應(yīng)速率緩慢[12]。

堿性電解液中是一個四質(zhì)子/電子耦合過程。在酸性驟如下：H2O +* OH*+ H++ e-OH* O*+ H++ e-O*+ H2O OOH*+ H++ e-OOH* O2+*+ H++ e-公認(rèn)的析氧反應(yīng)步驟如下：OH-+* OH*+ e-OH*+ OH- O*+ H2O + e-O*+ OH- OOH*+ e-OOH*+ OH- O2+*+ H2O + e-、（1.9）、（1.10）、（1.11）、（1.12）、（1.應(yīng)式中*代表催化活性中心，O*、OH*和 OOH*代表吸1.9）或（1.13）中所產(chǎn)生的 O*由于存在著巨大的熱氧氣[19]。

緒論 10 mA/cm2時過電勢為 320 mV，其 Tafel 斜率為 以 NiS 為陽極進(jìn)行全分解水測試，結(jié)果表明當(dāng)電加的外部電壓為 1.58 V，同時該體系也具有良好的組利用簡單的水熱方法以泡沫鎳為基底生長出了 V 進(jìn)行析氫測試，結(jié)果表明在堿性電解質(zhì)中當(dāng)電流密度8 mV，其 Tafel 斜率為 112 mV/dec，同時研究也表素?fù)诫s更容易發(fā)生，同時 V 和 O 共摻雜極大的提高度從而增強了 Ni3S2的析氫性能[28]。除上述報道之雜的片狀 Ni3S2，納米柱包覆的納米片狀 Ni3S2材料來并用于電解水的研究[29-31]。

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本文編號：2750915