功能化纳米材料的制备、表征及其析氢性能研究

发布时间：2020-03-18 06:48

【摘要】：随着化石燃料的过度消耗以及环境问题的日益突显,以环保和可再生性著称的新能源越来越多地受到大众的关注。目前,世界各国积极各项采取措施鼓励开发和利用太阳能、海洋能、风能等可再生能源。但是,这些新能源在时间和空间上的不连续性导致了比较低的转化效率。目前,将可再生能源转化为易于储存和运输的化学能是一种能有效提高其转化效率的有效的措施。其中,利用电解水的方法将再生能源转化成不连续电能,进一步转化成高能量密度的氢能被广泛应用于新能源转换体系。然而在实际操作中,商用电解设备的能量转化率仅约为56-73%。为了降低由较高的阴极过电位所造成的能源消耗,开发具有高催化活性、高稳定性的析氢纳米催化材料具有非常重要的意义。虽然稀有铂族催化剂仍是最有效的析氢催化剂,但是昂贵的价格和稀缺的储量制约了它们的大规模应用。近年来,低价的纳米材料表现出了优异的催化析氢性能,因而受到研究者的极大关注。本论文围绕纳米材料的制备、表征以及在催化析氢性能中的应用展开了一系列工作,主要研究内容包括以下三个方面:1.以氯化钴和次磷酸钠分别为金属源和磷源,通过两步法在碳布上制备了磷化钴纳米材料。通过涂覆的方式将纳米材料固定在三维碳布上,有利于提高纳米材料的负载量同时增加材料暴露的比表面积,从而有效提高材料的使用效率。此外,纳米材料在碳布基底上的均匀分散有效避免了由纳米材料间相互堆积所引起活性位点相互遮盖。磷化钴纳米材料作为阴极材料在0.5 M H2SO4的电解液中表现出了优异的催化析氢活性和长时间的循环稳定性。磷化钴纳米粒子的起始析氢过电位为33 mV,法拉第转化效率接近100%。在长达30 h稳定性测试过程中磷化钴纳米粒子的催化活性没有明显的降低。此外,我们通过调节氯化钴前驱的量制备了不同负载的磷化钴纳米材料,探究了负载量对催化析氢活性的影响。2.在二氰二胺或溴化铵存在的惰性氛围中,经过一步高温煅烧的方法将水热制备的自支撑氧化钨纳米线分别转化为氮掺杂碳包裹的钨氧氮纳米线和溴和氮共掺杂的钨纳米线。我们对掺杂态的纳米材料的结构进行了系统的分析,结果证明了非金属元素的掺杂对钨基纳米材料的电子结构具有明显调控作用。氮掺杂碳包裹的钨氧氮纳米体系中,碳层的包裹有利于提高材料整体的稳定性。此外,氮元素的掺杂改善了碳材料的亲水性,提高了碳材料的导电性以及催化活性。溴、氮共掺杂的钨纳米体系中,非金属元素与钨元素之间电子的相互作用有利于提高金属钨单质的催化活性。电化学测试结果表明,在全pH范围内两种非金属掺杂的钨基纳米材料都表现出了非常不错的催化活性和稳定性。非金属元素掺杂,有利于调控本体材料中金属元素电子结构,进而显著提高了钨基纳米材料的催化性能。3.通过简单的制备方法合成了多组分纳米催化材料,包括氧化镍与钴锰硫纳米片、硫化镍与二硫化镍的复合纳米粒子以及氧化钌与钌酸锶的复合纳米片。多组分在界面上晶格的不匹配导致了异相界面的晶格拉伸或者压缩,晶格的形变增加了材料的无序度从而有利于创造更高活性的催化位点。再者,异相界面上不同晶格的紧密结合导致多相组分之间强烈的相互作用,进而改变异相界面的表面能。此外,多组分之间的相互作用也会显著的优化异相界面附近各组分活性位点。电化学活性测试结果表明,与相应的单相组分催化剂的催化活性相比,多组分复合材料表现出了更高的析氢性能,证明了异相催化剂之间的协同性效应有利于提高电解水转化析氢的效率。
【图文】：

形貌,水热反应,铁基,纳米结构

制：（１）形成高晶核数；（２）控制晶核的成长。电沉积方法简单易操作，对设逡逑备要求也不高，因而广泛应用于纳米材料的制备。电化学沉积法可通过调节电逡逑镀液成分和沉积参数进而有效控制纳米材料的组成及形貌（图１－３）。逡逑３逡逑

透射电镜,相似形,金属盐,热解

图１－４．热解制备的碳材料上的纳米孔（Ａ，透射电镜图中黄色箭头标记纳米孔）以及逡逑氧缺陷（Ｂ，Ｘ射线光电子能谱）。（Ｃ，Ｆ）氋倍透射电镜图以及（Ｄ）电子自旋共振光逡逑谱表征热解制备的ＣｕＳ／ＮｉＳ２纳米材料上的硫缺陷以及晶格扭曲程度。丨２３，２４１逡逑（ｉｉｉ）在实验室条件下狭义的热解法是指在管式炉等加热炉体中将前驱材逡逑料高温热解制备纳米材料的一种方法。热解可以在空气中，也可以在惰性气体逡逑氛围下在高温设备中进行。用热解法一步制备的纳米材料通常不具备特殊的纳逡逑米结构且颗粒之间容易团聚，因此在氋温热解时，，通常会加入一些易分解的有逡逑机物避免纳米材料聚集，有机物的热解同时有利于制备多孔结构的纳米材料。逡逑热解法一般也作为两步法中的第二步，热解由其他方法制备的具有特定结构的逡逑纳米前驱，例如通过水热法先制备纳米材料再继续通过热解的方法将材料进一逡逑４逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ116.2;TB383.1;O643.36

【相似文献】