基底上过渡金属基纳米复合材料的可控生长及其电催化性能研究
发布时间：2020-12-14 01:40
人类对传统化石燃料的大肆开采带来了日益严峻的能源匮乏和环境恶化问题,发展新型可再生清洁能源已刻不容缓。氢能集绿色环保、燃烧热值高、可再生等优点于一身,在减缓能源危机和控制环境污染方面展现出广阔的应用前景。电解水制氢因其原料丰富、产物清洁、设备简单,在众多制氢方法中脱颖而出。然而阳极析氧反应（OER）由于经历复杂的四电子反应,动力学缓慢,大大抑制了电解效率且增加了能耗。尿素氧化反应（UOR）不仅因其理论电解电压低可以降低制氢能耗,并且有利于净化富含尿素的废水,被认为是替代OER过程的理想途径。尽管如此,节能产氢的实际应用还需电催化剂的推动。贵金属材料尤其是铂基化合物是目前性能最优的电催化剂,然而,由于价格昂贵、储量稀少,严重制约其实际应用。因此,研发价格低廉、稳定高效的电催化剂具有重要意义。本文围绕过渡金属基纳米复合材料在基底上的原位生长及其电催化性能研究开展工作,主要从以下三方面进行论述:1、一步电沉积法制备过渡金属表面金属硫化物修饰阵列（MxSy/M/NF,M=Ni,Co,Fe）,并对其进行了电化学析氢的测试。本章节中,我们利用简单的一步电...
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解水产生氢气和氧气的示意图[9]
第1章绪论4认为是目前电解水制氢的一大瓶颈，降低阳极过电位并提高反应速率是一个丞待解决的问题。除了研发高效稳定的阳极催化剂外，通过一些易氧化物质的氧化（如肼、乙醇、甲醇、尿素等）代替OER过程是一种更节能且有效制备氢气的方法。1.3尿素氧化反应在众多易被电氧化的物质中，尿素因其具有价格便宜、不易燃、无毒、可再生、富氢等优点广受关注。在标准条件下，尿素电解的热力学电池电压仅0.37V，远小于水电解所需的1.23V[26]，且尿素主要来源于工业含氮化肥和人/动物排泄物废水中，因此尿素电解不仅能有效降低电解制氢的成本，同时也有利于缓解了富含尿素的废水污染问题[27]。因此，以热力学上有利的尿素氧化反应（UOR）代替OER，加快了阳极反应进程，是一种前景广阔的制备高纯度氢气的技术。其工作原理如图1.2所示[28]，具体反应方程式为：总反应：CO(NH2)2+H2O→3H2+N2+CO2阴极反应：2H2O+2e-→H2+2OH-阳极反应：CO(NH2)2+6OH-→5H2O+N2+CO2+6e-图1.2尿素电解制氢的示意图。Figure1.2Schematicdiagramofhydrogenproductionviaureaelectrolysis.然而，阳极UOR本质上是一个6e-转移过程，动力学缓慢，限制了其实际制氢效率
第3章过渡金属表面金属硫化物纳米颗粒修饰的花菜状阵列的制备及其电催化性能研究14电流沉积法（电流密度为-1Acm-2，电沉积时间为400s）制备得到MxSy/M/NF三维花菜状阵列。并以同样的电沉积方式在不添加硫脲的条件下制得M/NF三维花菜状阵列。图3.1MxSy/M/NF（M=Ni,Co,Fe）的合成示意图。Figure3.1SchematicillustrationofthepreparationofMxSy/M/NF(M=Ni,CoandFe)electrocatalyst.通过SEM和TEM对Ni3S2/Ni/NF的形貌结构和组成成分进行分析。从图3.2a材料的SEM图可以看出其是由纳米颗粒组装而成的三维花菜状阵列。HR-TEM图中0.20nm和0.29nm分别对应Ni的（111）晶面和Ni3S2的（110）晶面，揭示了Ni和Ni3S2的存在。SAED图中Ni和Ni3S2的各自的特征衍射环进一步证实了两种物相的存在。并从元素分布图可以发现Ni和S元素在材料中的分布，进一步说明了Ni3S2的成功引入。图3.2Ni3S2/Ni/NF的(a)SEM图，(b)TEM图，(c)HRTEM图，(d)SAED图，(e)STEM图和(f,g)Ni,S元素分布图。Figure3.2(a)SEMimages,(b)TEMimage,(c)HRTEMimage,(d)SAEDpatternand(e)STEMimageand(f,g)thecorrespondingelementalmappingimagesoftheas-obtainedNi3S2/Ni/NF.
本文编号：2915564
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解水产生氢气和氧气的示意图[9]
第1章绪论4认为是目前电解水制氢的一大瓶颈，降低阳极过电位并提高反应速率是一个丞待解决的问题。除了研发高效稳定的阳极催化剂外，通过一些易氧化物质的氧化（如肼、乙醇、甲醇、尿素等）代替OER过程是一种更节能且有效制备氢气的方法。1.3尿素氧化反应在众多易被电氧化的物质中，尿素因其具有价格便宜、不易燃、无毒、可再生、富氢等优点广受关注。在标准条件下，尿素电解的热力学电池电压仅0.37V，远小于水电解所需的1.23V[26]，且尿素主要来源于工业含氮化肥和人/动物排泄物废水中，因此尿素电解不仅能有效降低电解制氢的成本，同时也有利于缓解了富含尿素的废水污染问题[27]。因此，以热力学上有利的尿素氧化反应（UOR）代替OER，加快了阳极反应进程，是一种前景广阔的制备高纯度氢气的技术。其工作原理如图1.2所示[28]，具体反应方程式为：总反应：CO(NH2)2+H2O→3H2+N2+CO2阴极反应：2H2O+2e-→H2+2OH-阳极反应：CO(NH2)2+6OH-→5H2O+N2+CO2+6e-图1.2尿素电解制氢的示意图。Figure1.2Schematicdiagramofhydrogenproductionviaureaelectrolysis.然而，阳极UOR本质上是一个6e-转移过程，动力学缓慢，限制了其实际制氢效率
第3章过渡金属表面金属硫化物纳米颗粒修饰的花菜状阵列的制备及其电催化性能研究14电流沉积法（电流密度为-1Acm-2，电沉积时间为400s）制备得到MxSy/M/NF三维花菜状阵列。并以同样的电沉积方式在不添加硫脲的条件下制得M/NF三维花菜状阵列。图3.1MxSy/M/NF（M=Ni,Co,Fe）的合成示意图。Figure3.1SchematicillustrationofthepreparationofMxSy/M/NF(M=Ni,CoandFe)electrocatalyst.通过SEM和TEM对Ni3S2/Ni/NF的形貌结构和组成成分进行分析。从图3.2a材料的SEM图可以看出其是由纳米颗粒组装而成的三维花菜状阵列。HR-TEM图中0.20nm和0.29nm分别对应Ni的（111）晶面和Ni3S2的（110）晶面，揭示了Ni和Ni3S2的存在。SAED图中Ni和Ni3S2的各自的特征衍射环进一步证实了两种物相的存在。并从元素分布图可以发现Ni和S元素在材料中的分布，进一步说明了Ni3S2的成功引入。图3.2Ni3S2/Ni/NF的(a)SEM图，(b)TEM图，(c)HRTEM图，(d)SAED图，(e)STEM图和(f,g)Ni,S元素分布图。Figure3.2(a)SEMimages,(b)TEMimage,(c)HRTEMimage,(d)SAEDpatternand(e)STEMimageand(f,g)thecorrespondingelementalmappingimagesoftheas-obtainedNi3S2/Ni/NF.
本文编号：2915564
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