生物模板法制备C-Ni/NiO纳米复合材料及其磁、电催化性能研究
发布时间：2021-01-17 05:29
本文分别以柚子皮（PP）、玉米秸秆（CS）和脱脂棉花纤维（CF）为多功能剂（模板、还原剂、碳源）,Ni（NO3）2·6H2O为镍源,以水做溶剂,采用浸渍-煅烧法成功制备了具有生物遗态结构的碳基Ni/NiO（C-Ni/NiO）纳米复合材料。该方法操作工艺简单、反应条件温和,且制备过程中不添加任何试剂,绿色环保、经济适用。利用SEM、TEM、XRD、XPS、FT-IR、BET等相关技术对复合材料的形貌、物相组成、结构进行表征分析。最后将获得的C-Ni/NiO纳米复合材料进行了磁性和OER-HER双功能电催化性能的研究。具体研究内容如下:1.采用SEM分析材料的形貌发现,以柚子皮（PP）为模板,制备的材料具有花状结构;模板为玉米秸秆（CS）,合成多孔纳米薄片结构材料;棉花（CF）为结构模板,制备中空纤维结构材料。其中以CF为模板获得的材料更完美的复制了其纤维形貌,结构特殊、形貌均一。材料因其特殊的生物结构形貌而具有高的比表面积和丰富的孔结构,暴露出更多的活性位点,同时也为电催化反应中间体提供离子通道,加快电荷转移速率,使目标材...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电催化分解水产生氢气和氧气的示意图[19]
第1章绪论3图1.2HER（左）和OER（右）极化曲线，ηc和ηa分别为在相同电流密度下阴极和阳极过电位[20]。Figure1.2PolarizationcurvesofHER(Left)andOER(Right),theηcandηaaretheoverpotentialsforcathodeandanodeatthesamecureentdensity,respectively.1.2.1析氧（OER）反应机理析氧（OER）反应是一个缓慢的四电子动力学过程[21]。反应过程中牵涉多种表面吸附的中间体，在酸性和碱性电解液中反应发生的途径不同，但不同途径都涉及到氧化物，过氧化物和超氧化物中间体的吸附和解吸，其对应的方程式分别如（1-2~5）和（1-6~9）所示，其中*代表催化剂表面活性位点[22]。在酸性电解液中的OER反应机理过程：H2O+*→HO*+H++e-（1-2）HO*→O*+H++e-（1-3）O*+H2O→HOO*+H++e-（1-4）HOO*→*+O2+H++e-（1-5）在碱性电解液中的OER反应机理过程：*+OH-→*OH+e-（1-6）*OH+OH-→H2O+*O+e-（1-7）*O+OH-→*OOH+e-（1-8）*OOH+OH-→*+O2+H2O+e-（1-9）在OER反应过程中，氧分子是几种质子/电子耦合产生的，所获得的氧气分子是经过有四个电子转移的动力学过程。析氧反应经历多步反应，且每个单独反应步骤都伴随着电子的转移，造成能量势垒的的累积，OER动力学过程变缓慢，最终导致OER反应的过电位较大[23]。因此，需要科研工作者设计出低成本、高效率电催化剂来克服OER反应过程中的能量势垒，获得相对较小的过电位。1.2.2析氢（HER）反应机理
第1章绪论4析氢（HER）反应是一个两电子转移过程，其无论在酸性电解液还是碱性电解液中都经过两个独立步骤，机制如图1-4所示，包含的反应方程式如下，其中*代表催化剂表面活性位点[24]。酸性：H3O++e-+*→H*+H2OVolmerreactionH*+H3O++e-→H2+H2OHeyrovskyreaction或H*+H*→H2Tafelreaction碱性：H2O+e-+*→H*+OH-VolmerreactionH*+H2O+e-→H2+OH-Heyrovskyreaction或H*+H*→H2Tafelreaction在析氢反应过程中，第一步都是Volmerreaction，形成吸附氢原子（H*）。在酸性电解液中，质子放电优先在电极表面形成吸附氢原子，H*与电子以及质子结合（Heyrovskyreaction、电化学吸附）或两个相邻的H*结合（Tafelreaction、化学吸附）形成H2。在碱性电解液中，水分子放电在电极表面形成H*，再经过Heyrovskyreaction反应（H*与电子以及水分子结合）或Tafel反应形成H2。产生H2有两种不同的途径，这与H*的覆盖度有关。如果H*覆盖面较低，单个吸附氢原子优先和质子及电子同时结合生成H2，容易发生Heyrovsky反应，如果H*覆盖面较高时，邻近的两个H*结合生成H2，较易发生Tafel反应。图1.3HER反应机理[25]。Figure1.3ThemechanismofHER.1.2.3催化性能的评价指标评价材料催化性能的最主要因素是它们的起始电压，但由于其确切的值一般很难观察到。因此，认为更可靠得是在电流密度达到10mAcm-2时所对应的电势值。过电势实际上是实验测试的电势值与理论热动力学电势值之间的差。电化学水分解系统中产生的过电势过大往往会导致较低的能量转化效率。过电
本文编号：2982292
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电催化分解水产生氢气和氧气的示意图[19]
第1章绪论3图1.2HER（左）和OER（右）极化曲线，ηc和ηa分别为在相同电流密度下阴极和阳极过电位[20]。Figure1.2PolarizationcurvesofHER(Left)andOER(Right),theηcandηaaretheoverpotentialsforcathodeandanodeatthesamecureentdensity,respectively.1.2.1析氧（OER）反应机理析氧（OER）反应是一个缓慢的四电子动力学过程[21]。反应过程中牵涉多种表面吸附的中间体，在酸性和碱性电解液中反应发生的途径不同，但不同途径都涉及到氧化物，过氧化物和超氧化物中间体的吸附和解吸，其对应的方程式分别如（1-2~5）和（1-6~9）所示，其中*代表催化剂表面活性位点[22]。在酸性电解液中的OER反应机理过程：H2O+*→HO*+H++e-（1-2）HO*→O*+H++e-（1-3）O*+H2O→HOO*+H++e-（1-4）HOO*→*+O2+H++e-（1-5）在碱性电解液中的OER反应机理过程：*+OH-→*OH+e-（1-6）*OH+OH-→H2O+*O+e-（1-7）*O+OH-→*OOH+e-（1-8）*OOH+OH-→*+O2+H2O+e-（1-9）在OER反应过程中，氧分子是几种质子/电子耦合产生的，所获得的氧气分子是经过有四个电子转移的动力学过程。析氧反应经历多步反应，且每个单独反应步骤都伴随着电子的转移，造成能量势垒的的累积，OER动力学过程变缓慢，最终导致OER反应的过电位较大[23]。因此，需要科研工作者设计出低成本、高效率电催化剂来克服OER反应过程中的能量势垒，获得相对较小的过电位。1.2.2析氢（HER）反应机理
第1章绪论4析氢（HER）反应是一个两电子转移过程，其无论在酸性电解液还是碱性电解液中都经过两个独立步骤，机制如图1-4所示，包含的反应方程式如下，其中*代表催化剂表面活性位点[24]。酸性：H3O++e-+*→H*+H2OVolmerreactionH*+H3O++e-→H2+H2OHeyrovskyreaction或H*+H*→H2Tafelreaction碱性：H2O+e-+*→H*+OH-VolmerreactionH*+H2O+e-→H2+OH-Heyrovskyreaction或H*+H*→H2Tafelreaction在析氢反应过程中，第一步都是Volmerreaction，形成吸附氢原子（H*）。在酸性电解液中，质子放电优先在电极表面形成吸附氢原子，H*与电子以及质子结合（Heyrovskyreaction、电化学吸附）或两个相邻的H*结合（Tafelreaction、化学吸附）形成H2。在碱性电解液中，水分子放电在电极表面形成H*，再经过Heyrovskyreaction反应（H*与电子以及水分子结合）或Tafel反应形成H2。产生H2有两种不同的途径，这与H*的覆盖度有关。如果H*覆盖面较低，单个吸附氢原子优先和质子及电子同时结合生成H2，容易发生Heyrovsky反应，如果H*覆盖面较高时，邻近的两个H*结合生成H2，较易发生Tafel反应。图1.3HER反应机理[25]。Figure1.3ThemechanismofHER.1.2.3催化性能的评价指标评价材料催化性能的最主要因素是它们的起始电压，但由于其确切的值一般很难观察到。因此，认为更可靠得是在电流密度达到10mAcm-2时所对应的电势值。过电势实际上是实验测试的电势值与理论热动力学电势值之间的差。电化学水分解系统中产生的过电势过大往往会导致较低的能量转化效率。过电
本文编号：2982292
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