本文關(guān)鍵詞：新型MoP基析氫電催化劑制備及性能研究

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【摘要】：化石燃料的日益枯竭引發(fā)了世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境問題。近年來,氫能作為21世紀(jì)可取代化石燃料的清潔可持續(xù)能源得到了廣發(fā)關(guān)注。現(xiàn)如今電力來源如風(fēng)力、潮汐、太陽能等的大力發(fā)展促使電能成本不斷降低,使電解水制氫成為具有前景的制氫手段。在電解水制氫過程中,電催化劑扮演著重要作用,因其決定著析氫反應(yīng)(HER)的電流密度和起始電位。盡管基于Pt系貴金屬一直被視為最好的析氫催化劑,但其短缺和高成本阻礙了它們的廣泛使用。因此,尋找資源豐富、成本低廉的非貴金屬催化劑取代鉑系金屬成為電解水制氫技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的先決條件。此外,高性能、耐受性好、易于制造也是影響催化劑電極實(shí)際應(yīng)用的重要因素。本文中主要從催化劑的形貌和結(jié)構(gòu)上來提升磷化鉬(MoP)催化劑的電催化活性。首先,以海綿為起始模板,采用程序升溫還原法合成了大表面積、多孔、多隧道,由納米顆粒組成的三維塊狀磷化鉬(3D MoP),該催化劑不需粘合劑可直接作為電極用于析氫裝置中,表現(xiàn)出了優(yōu)秀的催化性能。在酸性介質(zhì)中,3D MoP的Tafel斜率低至126 mV dec-1,交換電流密度高達(dá)3.052 mA cm-2,當(dāng)電流密度為10和20 mA cm-2時(shí),過電位分別為105和155 mV,法拉第效率接近100%;堿性條件下,該催化劑具有相近的催化性能。在穩(wěn)定性測試中,經(jīng)過60000s的恒壓測試,3D MoP在酸性和堿性條件下的保持率分別為96%和93%。該工作提供了可用于大規(guī)模應(yīng)用的一種簡單、經(jīng)濟(jì)的方法制備高效HER電催化劑。另一方面,為提高M(jìn)oP電極材料的整體導(dǎo)電性,賦予催化劑特定的形貌,增大催化反應(yīng)的面積,本文還采用碳布(CC)為基底,水熱法制備了半球形貌的MoP直接生長于CC(MoP-HS@CC)。該催化劑在酸堿條件下均具有很好催化活性和耐受性,酸性介質(zhì)中,起始電位低至30 mV,Tafel斜率為61 mV dec-1,交換電流密度為0.438mA cm-2,為達(dá)到10和100 mA cm-2的電流密度,僅需過電位分別為87和195 mV;堿性條件下,起始點(diǎn)位低至33 mV,Tafel斜率為64 mV dec-1,為獲得電流密度10和100 mA cm-2,過電位分別為121和223 mV。該電極材料制備方法可控,大小易于調(diào)節(jié),且具有優(yōu)異的HER催化性能。本文提供了構(gòu)造高效三維析氫電催化劑的方法,為大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：MoP 析氫反應(yīng) 海綿 碳布 三維結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O643.36
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-25
• 1.1 引言10-11
• 1.2 電解水制氫11-14
• 1.2.1 電解水制氫基本原理11-12
• 1.2.2 HER基本原理與電化學(xué)性能評估12-14
• 1.3 貴金屬催化劑14
• 1.4 非貴金屬催化劑14-23
• 1.4.1 硫化物與硒化物15-19
• 1.4.2 碳化物與氮化物19-20
• 1.4.3 磷化物20-23
• 1.5 課題的主要研究內(nèi)容及目的23-25
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法25-34
• 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品25
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備25-26
• 2.3 材料制備方法26-28
• 2.3.1 程序升溫還原法26-27
• 2.3.2 次磷酸鹽熱分解法27-28
• 2.3.3 三辛基膦熱分解合成法28
• 2.4 材料表征方法28-31
• 2.4.1 掃描電鏡28-29
• 2.4.2 透射電鏡29
• 2.4.3 X射線衍射29
• 2.4.4 BET比表面積測試29-30
• 2.4.5 拉曼光譜30
• 2.4.6 X射線光電子能譜(XPS)表征30-31
• 2.5 電化學(xué)表征方法31-34
• 2.5.1 電化學(xué)測試體系31
• 2.5.2 工作電極的制備31
• 2.5.3 線性掃描伏安曲線 (LSV)31
• 2.5.4 循環(huán)伏安曲線 (CV)31-32
• 2.5.5 恒壓穩(wěn)定性測試方法32
• 2.5.6 電化學(xué)阻抗32
• 2.5.7 TOF計(jì)算方法32-34
• 第3章 三維多孔道MoP催化劑的制備及其析氫性能研究34-50
• 3.1 引言34-35
• 3.2 三維多孔道MoP催化劑的制備35-36
• 3.3 三維多孔道MoP樣品的物理表征及特性分析36-41
• 3.3.1 形貌表征結(jié)果及分析36-38
• 3.3.2 組分與元素分析38-41
• 3.4 三維多孔道MoP樣品的電化學(xué)性能測試41-48
• 3.4.1 HER電催化活性測試41-45
• 3.4.2 HER穩(wěn)定性測試45-47
• 3.4.3 HER電催化的產(chǎn)物分析47-48
• 3.5 本章小結(jié)48-50
• 第4章 MoP半球/碳布復(fù)合材料的制備及其析氫性能研究50-64
• 4.1 引言50-51
• 4.2 磷化鉬/碳布復(fù)合物催化劑的制備51
• 4.3 磷化鉬/碳布復(fù)合物的物理表征及特性分析51-56
• 4.3.1 形貌表征結(jié)果及分析51-54
• 4.3.2 組分與元素分析54-56
• 4.4 磷化鉬/碳布復(fù)合物的電化學(xué)性能測試56-62
• 4.4.1 酸性條件下HER電催化活性測試56-60
• 4.4.2 堿性條件下HER電催化活性測試60-62
• 4.5 本章小結(jié)62-64
• 結(jié)論64-66
• 參考文獻(xiàn)66-78
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單78-79
• 致謝79

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