發(fā)布時間：2017-12-13 15:30

  本文關(guān)鍵詞：應(yīng)用于電解水和氧還原反應(yīng)催化劑的設(shè)計與合成

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【摘要】：隨著對環(huán)境意識的增強和對有限資源認(rèn)識的加深,為了減少對石油化工能源等不可再生資源的依賴,尋求并開發(fā)清潔、廉價、便捷、有效的能源供給方式已經(jīng)成為能源產(chǎn)業(yè)首當(dāng)其沖的任務(wù)。近年來,針對各種低污染電池技術(shù)的研發(fā)方興未艾,尤其值得關(guān)注的是可再生的燃料電池、可充電重復(fù)利用的金屬-空氣電池、電解水等新能源技術(shù)。這些新能源技術(shù)都是以電化學(xué)催化過程為基礎(chǔ),而電催化過程需要催化劑來降低反應(yīng)過程的能耗。目前,電極催化劑多以貴重的鉑、銥和釕等金屬,但是這些貴金屬在全球儲量有限,且價格相對昂貴,在很大程度上限制了新能源技術(shù)的發(fā)展。在這種情況下,設(shè)計新型高效催化劑迫在眉睫,新一代的催化劑既要降低鉑金屬材料的用量,又需要提高其對電化學(xué)的催化活性,尤其是單位質(zhì)量活性,并應(yīng)具有較好的耐久性。因此,制備高效合金催化劑和新型非貴金屬催化劑(如鈣鈦礦)成為了人們研究的熱點,故本文的主要工作旨在合成具有高電導(dǎo)率和活性位點豐富的鈣鈦礦型氧化物和Pt-Cu合金納米催化劑,并研究它們在電催化上應(yīng)用。本文總共分為五章,各章的主要內(nèi)容如下:第一章,我們首先簡要介紹了電化學(xué)催化的背景;然后總結(jié)了電化學(xué)催化中電解水產(chǎn)氫氣、產(chǎn)氧氣和氧還原三個反應(yīng)的基本機理,以及如何評價電化學(xué)催化劑的性能;最后,綜述近些年來電化學(xué)催化方向取得的重要進(jìn)展,主要介紹通過調(diào)控貴金屬納米催化劑的形貌、尺寸以及組成,改善催化劑的電化學(xué)性能,并探討了鈣鈦礦以及類鈣鈦礦催化劑對電化學(xué)催化的影響。第二章,我們介紹了具有五重對稱性的多級分支準(zhǔn)十二面體Pt-Cu納米合金的合成方法,并發(fā)現(xiàn)了 KI的用量以及Pt和Cu前驅(qū)物的配料比是能成功合成此材料的關(guān)鍵所在。多級分支準(zhǔn)十二面體Pt-Cu納米合金表現(xiàn)出很高的電催化HER性能,優(yōu)于商用的Pt/C催化劑。孿晶缺陷以及多級框架結(jié)構(gòu)是提高材料催化性能的根本原因。第三章,我們通過液相超聲剝離的方法合成具有氧缺陷修飾的W03,發(fā)現(xiàn)其氧缺陷的存在造成了 W的價態(tài)從6+下降到5+,而且鎢原子的配位數(shù)也明顯下降。通過電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)具有氧缺陷修飾的WO3的性能優(yōu)于W03 bulk且接近于商用Pt/C催化劑,這很可能是因為氧缺陷調(diào)控了鎢原子的電子結(jié)構(gòu),造成氫吸附自由能接近于零,所以催化活性獲得提高。第四章,我們通過溶膠-凝膠法合成了帶有氧缺陷的雙鈣鈦礦氧化物和其對應(yīng)的單鈣鈦礦氧化物,我們發(fā)現(xiàn)雙鈣鈦礦氧化物的具有雙功能的催化特性:電解水產(chǎn)氧氣和電催化氧氣還原。雙鈣鈦礦氧化物改善了單鈣鈦礦氧化物的單一催化性能,而且在穩(wěn)定性上有很大的提高。這歸結(jié)于雙鈣鈦礦具有較高的導(dǎo)電性和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。第五章,我們總結(jié)了本文的工作要點,展望了電化學(xué)催化劑的應(yīng)用前景,并從催化劑合成的產(chǎn)量、構(gòu)效關(guān)系到電化學(xué)的原位表征手段上來闡述電催化方向上的機遇和挑戰(zhàn)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36;O646

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本文編號：1285692