發(fā)布時間：2017-05-15 15:26

  本文關(guān)鍵詞：基于廉價金屬復(fù)合材料電催化劑設(shè)計(jì)、合成及性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：由于對非再生化石燃料資源的過度依賴,給人類社會與生態(tài)環(huán)境帶來了巨大負(fù)面影響,尋找可替代清潔能源是未來人類發(fā)展急需解決的重大問題。燃料電池作為一種轉(zhuǎn)換裝置可將化學(xué)存儲能量直接轉(zhuǎn)化為電能,具有高轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境親和性、燃料多樣、用途廣泛等特點(diǎn),被認(rèn)為是未來最有潛力的能源供給裝置。然而,燃料電池所須的高成本貴金屬催化劑嚴(yán)重制約了其商業(yè)化發(fā)展,人們迫切需要開發(fā)設(shè)計(jì)低成本、高活性、高穩(wěn)定性的少貴金屬或非貴金屬電催化劑來降低燃料電池生產(chǎn)成本。本論文著眼于這一點(diǎn),首先綜述了幾種與能源轉(zhuǎn)換裝置相關(guān)的重要電化學(xué)反應(yīng),及各電化學(xué)反應(yīng)催化劑的研究進(jìn)展。重點(diǎn)闡述了用廉價碳基或過渡金屬硫族化合物復(fù)合材料設(shè)計(jì)、合成新型非貴金屬催化劑所取得的研究進(jìn)展。值得注意的是,目前發(fā)展的一些低成本復(fù)合材料催化劑在催化活性、穩(wěn)定性或規(guī)�；a(chǎn)總會在某一方面不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求�；诖�,我們理性地選擇產(chǎn)量大、低成本、有催化應(yīng)用前景的過渡金屬硫族化合物為主要研究對象,通過“化學(xué)嫁接”方法將合適的功能納米材料與其復(fù)合雜化,利用不同材料間的化學(xué)耦合作用調(diào)節(jié)功能材料的電子結(jié)構(gòu),從而達(dá)到提高復(fù)合材料催化活性及穩(wěn)定性的目標(biāo)。所取得主要研究結(jié)果如下：1.將CoSe2/DETA納米帶與Ce02納米晶“化學(xué)嫁接”,制備了CoSe2/CeO2雜化納米帶。研究發(fā)現(xiàn)這種雜化納米帶不但具有原始CoSe2納米帶超薄、多層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),而且通過與其他粒子的相互作用可大大提高復(fù)合材料的催化性能。探討了CoSe2納米帶與Ce02納米晶結(jié)合后電子結(jié)構(gòu)變化,并發(fā)現(xiàn)相比CoSe2納米帶,雜化材料的電化學(xué)催化活性和穩(wěn)定性均有很大改善。由于CeO2/CoSe2雜化納米帶表面負(fù)載了富含氧空穴的Ce02納米顆粒從而更易于吸附含氧基團(tuán)等中間產(chǎn)物利于電催化析氧反應(yīng)的進(jìn)行,而且材料間的化學(xué)耦合作用改變了Co電子結(jié)構(gòu)對于提高催化性能有很大貢獻(xiàn)。2.發(fā)展了CoSe2/碳點(diǎn)復(fù)合材料的制備方法。選擇具有高比表面積的層狀CoSe2/DETA納米帶為主體材料,將碳量子點(diǎn)引入到CoSe2/DETA納米帶合成過程中,使其參與成核生長,最終得到了一種新型CoSe2/碳點(diǎn)三維納米球復(fù)合材料。由于半結(jié)晶態(tài)的碳點(diǎn)在CoSe2/DETA納米帶中的嵌入生長,改變了原始CoSe2/DETA納米帶的物相,得到一種正交相與立方相的混合物。研究發(fā)現(xiàn)新正交相結(jié)構(gòu)的存影響了原始Co的配位數(shù),從而改變材料的電子結(jié)構(gòu),有利于材料電催化析氫反應(yīng)催化活性的提高；并且由于碳點(diǎn)的嵌入,復(fù)合材料的無序度增加降低了材料表面能,改善了材料的催化穩(wěn)定性；此外,正交相結(jié)構(gòu)CoSe2具有的特殊電子結(jié)構(gòu)更利于電催化析氧反應(yīng)的進(jìn)行,因此這種CoSe2/碳點(diǎn)復(fù)合材料有望作為一種雙功能的電催化水解催化劑。3.發(fā)展了原位生長法制備三維碳纖維氈-CoSe2復(fù)合電催化析氫陰極材料。選擇已規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維氈作為基底材料,在碳纖維表面原位生長CoSe2/DETA納米帶,獲得一種三維電催化析氫陰極材料,這種宏觀電極材料具備優(yōu)異的電催化析氫活性(具有較高的交換電流密度5.9×10-2 mA/cm2,在較低過電勢141 mV下即可達(dá)到10 mA/cm2).在0.5 M硫酸溶液中經(jīng)過30,000次循環(huán)測試后電流密度幾乎沒有變化,表現(xiàn)出突出的催化穩(wěn)定性。4.發(fā)展了一步合成法制備碳載鉑鈷鎳三元合金納米顆粒復(fù)合材料。研究表明經(jīng)過高溫退火處理后會形成一種表面富鉑鎳的核殼多元合金結(jié)構(gòu)可大大提高鉑原子的利用率。鈷、鎳過渡金屬的引入將改變鉑電子結(jié)構(gòu),減弱Pt與含氧中間產(chǎn)物間作用力從而提高了電催化氧還原活性。探討了催化過程中合金材料的結(jié)構(gòu)變化及對催化性能的影響。
【關(guān)鍵詞】：燃料電池 過渡金屬硫族化合物 合金 雜化材料 析氧反應(yīng)(OER)析氫反應(yīng) (HER)氧還原反應(yīng) (ORR)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB33;O643.36
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 廉價金屬復(fù)合材料電催化劑設(shè)計(jì)與合成研究進(jìn)展11-45
• 1.1 引言11-13
• 1.2 幾種重要電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)催化劑設(shè)計(jì)研究進(jìn)展13-20
• 1.2.1 電催化活性參數(shù)13-14
• 1.2.2 ORR反應(yīng)電催化劑14-16
• 1.2.3 OER反應(yīng)電催化劑16-18
• 1.2.4 HER反應(yīng)電催化劑18-20
• 1.3 碳基復(fù)合材料催化劑的設(shè)計(jì)研究進(jìn)展20-26
• 1.3.1 石墨烯復(fù)合材料催化劑21-23
• 1.3.2 碳納米管復(fù)合材料催化劑23-25
• 1.3.3 純碳復(fù)合材料催化劑25-26
• 1.4 過渡金屬硫族化合物復(fù)合材料催化劑研究進(jìn)展26-30
• 1.4.1 過渡金屬硫族化合物與碳材料復(fù)合材料27-28
• 1.4.2 過渡金屬硫族化合物與金屬氧化物復(fù)合材料28-29
• 1.4.3 過渡金屬硫族化合物與金屬硫族化合物復(fù)合材料29-30
• 1.5 本論文的選題背景和研究內(nèi)容30-32
• 參考文獻(xiàn)32-45
• 第二章 CoSe_2-CeO_2雜化納米帶的制備及性能研究45-63
• 摘要45-46
• 2.1 引言46
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分46-48
• 2.2.1 材料來源46-47
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法47
• 2.2.3 樣品表征47
• 2.2.4 電化學(xué)研究47-48
• 2.3 結(jié)果與討論48-58
• 2.4 結(jié)論58
• 參考文獻(xiàn)58-63
• 第三章 CoSe_2-碳點(diǎn)復(fù)合納米球的制備及性能研究63-81
• 摘要63-64
• 3.1 引言64-65
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分65-66
• 3.2.1 材料來源65
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)方法65
• 3.2.3 樣品表征65-66
• 3.2.4 電化學(xué)研究66
• 3.3 結(jié)果與討論66-75
• 3.4 結(jié)論75-76
• 參考文獻(xiàn)76-81
• 第四章 三維碳纖維氈-CoSe_2復(fù)合材料的制備及性能研究81-101
• 摘要81-82
• 4.1 引言82-83
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分83-84
• 4.2.1 材料來源83
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)方法83
• 4.2.3 樣品表征83
• 4.2.4 電化學(xué)研究83-84
• 4.3 結(jié)果與討論84-96
• 4.4 總結(jié)96-97
• 參考文獻(xiàn)97-101
• 第五章 碳載少鉑三元合金納米催化劑的制備及性能研究101-119
• 摘要101-102
• 5.1 引言102
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分102-104
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)方法103
• 5.2.2 樣品表征103
• 5.2.3 電化學(xué)研究103-104
• 5.3 結(jié)果與討論104-112
• 5.4 總結(jié)112-113
• 參考文獻(xiàn)113-119
• 致謝119-121
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文、研究成果和獲獎情況121-123

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