發(fā)布時間：2017-12-07 09:24

  本文關鍵詞：陽極析氧催化劑的調控制備和性能研究

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【摘要】：氫氣是清潔、零碳排放的能源載體,高效低能耗的制氫技術是實現(xiàn)氫能利用的重要前提。電解水制氫設備及工藝過程簡單,產物純凈無需分離,對環(huán)境和生態(tài)友好,是最易于實現(xiàn)工業(yè)化應用的制氫技術。同時,電解水制氫也可將間歇、并網困難的太陽能和風能轉化為氫氣存儲,或者將氫能再轉化電能并網利用。目前,電解水制氫能耗高、效率低制約了該技術的發(fā)展。溫和條件下的原位陽極析氧催化制氫技術可有效解決這一難題,而高效穩(wěn)定的陽極析氧催化劑是實現(xiàn)此技術的關鍵環(huán)節(jié)。本文基于陽極的析氧催化劑,分別從金屬前驅體的類型、與金屬陽離子匹配的電解質體系、晶體結構以及電解溫度等方面調控制備陽極析氧催化劑,采用恒電位電化學沉積法制備Cu-C_i、Ag-P_i以及改性的Co-C_i三種新型的陽極析氧催化劑;以Ag_2WO_4為調變介質,考察不同晶型的Ag_2WO_4制備;在泡沫鎳上原位生長制備了三維納米結構的Fe-NiSe/NF催化劑;通過XRD、TEM、SEM等測試考察其結構與形貌,使用EDS、XPS等分析陽極析氧催化劑的組成及價態(tài),采用電化學測試考察析氧催化活性及穩(wěn)定性。主要研究內容及結果如下:常溫常壓條件下,以六氟磷酸四乙腈銅為金屬前驅體,在0.1 mol/L K_2CO_3的近中性電解質溶液中(p H=10.25),通過原位電解沉積制備了具有自修復特性的Cu-C_i陽極析氧催化劑。對Cu-C_i析氧催化劑的組成和催化析氧性能進行了測試,結果表明Cu-C_i析氧催化劑的主要催化成分為Cu和O;其催化析氧速率為31.67μmol/h;當電流密度為1 m A/cm2時,Cu-C_i催化劑所需析氧過電位η=263.8 m V。Cu-C_i催化劑與已報道的Cu基催化劑結構和形貌不同,表明金屬前驅體是影響析氧催化劑的重要因素和有效調控手段。電解質既是析氧催化劑原位制備過程中催化劑的配體,同時也是電解催化過程中質子的轉移載體,電解質溶液的選擇將影響催化劑的制備和催化性能。本文在含有Ag~+的弱堿性的磷酸鹽電解質溶液(pH=12.4)中,原位制備了新型的Ag-P_i析氧催化劑,在此條件下制備的Ag-P_i析氧催化劑接近于無定型結構。Ag-P_i催化劑的電催化析氧速率為11.1μmol/h;當電流密度為1 m A/cm2時,Ag-P_i催化劑所需析氧過電位η=457 m V,Ag-P_i催化劑的催化性能明顯優(yōu)于已經報道的Ag-C_i催化劑。采用化學溶液沉積法制備了α-Ag_2WO_4、無定型Ag_2WO_4及兩種不同形貌的β-Ag_2WO_4,在0.1 mol/L K_2B_4O_7電解質溶液中對所制備的Ag_2WO_4進行析氧性能研究,結果表明,α-Ag_2WO_4具有較好的析氧性能和較低的析氧過電位,平均析氧速率為17.6μmol/h,1 m A/cm2時其析氧過電位為375m V,分析表明經析氧催化測試后不同晶型的Ag_2WO_4會逐漸分解為Ag_2O和W的氧化物,其催化活性物質為Ag_2O/WOx。在含有Co~(2+)的0.1M NaHCO_3電解質溶液中,通過電解質溫度的調變,分別在25℃、50℃及70℃條件下調控制備Co-C_i析氧催化劑。研究表明,不同溫度條件對Co-C_i催化劑的物相結構沒有影響,所制備的Co-C_i催化劑均為無定型結構;但溫度調控改變了Co-C_i催化劑的顆粒度和微納米結構,增加了催化劑的活性位和接觸反應界面,進而改善了其析氧催化性能;70℃條件下制備的Co-C_i催化劑性能最佳,其析氧過電位降低至212 m V,析氧速率29.5μmol/h。在泡沫鎳(NF)上通過簡單的方法原位生長三維納米結構的Fe-NiSe/NF電極作為陽極析氧催化電極,無需聚合物粘結劑。在1M KOH中,其展現(xiàn)出高效的陽極析氧性能,其達到10和100 m A/cm2的電流密度分別只需要233和275 m V的額外電壓。同時,穩(wěn)定性測試證明其具有優(yōu)異的穩(wěn)定性,在析氧過程中Fe-NiSe/NF表面形成NiFeOOH為催化水氧化的活性物質。
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36;TQ116.2

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據庫 前6條

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本文編號：1261911