异质原子掺杂碳纳米材料的制备及其电催化性能研究
发布时间：2021-06-06 04:46
氢能兼具来源广、燃烧热值高、能量密度大、产物环保和零排放等优点,被认为是一种理想且极具应用潜力的化石燃料替代品。发展氢能源最重要的就是开发高效低成本的制氢技术,在现有的主流制氢技术中,电解水制氢以制备条件温和、生产方式灵活安全、制氢纯度高等优点,受到广泛关注。而电极材料是电解水制氢技术中的核心问题,因此,设计开发高效、廉价和来源丰富的非贵金属类催化材料成为氢能研究领域的重要课题。本文采用简单的水热-热解法、微波等离子体法制备了一系列氮掺杂碳材料,并将其作为电极材料,研究了其电化学析氢性能。主要内容如下:首先采用二茂铁和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为原料,通过简单可控的水热法制备氧化铁纳米粒子均匀分散的聚合物凝胶,再在尿素的辅助下高温热解制备氮掺杂碳层包覆的碳化铁（Fe3C/N-doped carbon）纳米粒子。着重探讨了热解温度对合成的纳米粒子的微观结构和电催化析氢性能的影响,以及氮源投入量对氮掺杂碳层的形成及对电催化析氢性能的影响。当热解温度为400℃时,产物仅含无定形碳的结构,无碳化铁纳米粒子形成,同时这种结构因暴露出的活性位点有限,表现出较差的电化学析氢性能;...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解水示意图
西南科技大学硕士学位论文6图1-2不同材料吉布斯自由能与交换电流密度的火山图[19]目前，普遍研究认为电极材料表面与Hads相互作用时的吉布斯自由能决定了HER的反应速率。不同金属催化HER性能的交换电流密度与吉布斯自由能之间的关系构成火山图模型，符合了Sabatier原理[19][20]，如图1-2所示，催化材料的催化本质由此揭开。如果催化材料表面对Hads的吸附作用力太强，吉布斯自由能较大且小于零。此时电化学吸附过程中很容易发生，但是Heyrovsky或Tafel涉及的Hads脱附过程就会受到抑制；相反，如果催化材料表面对Hads的吸附作用力太弱，吉布斯自由能较大且大于零，导致水合氢离子或者水分子的吸附过程受到阻碍，影响后续的电化学脱附过程，进而限制整个HER反应过程。因此，催化材料与Hads相互作用时的吉布斯自由能处于趋近于零的最优值时，交换电流密度值最大，拥有最佳的HER催化性能。如贵金属铂（Pt）拥有接近于零的吉布斯自由能，表现出最理想的催化性能，被认为是商业催化剂的代表。但其自然稀缺性及高昂的价格严重制约了Pt基催化剂在氢工业的商业应用。鉴于此，各国研究者们纷纷依托于纳米科学与技术开发吉布斯自由能趋近于零的理想HER催化剂。1.4.2析氢反应评价参数为了评价给定催化材料的析氢活性，一些重要的活性评价参数需要仔细研究。比如过电位、电流密度、Tafel斜率、电化学活性面积以及稳定性等。这些活性参数互相关联，共同反映了催化剂的催化性能和反应动力学等信息，以下简要介绍这些活性参数。（1）起始电位及过电位当电解反应发生时，具有明显阴极电流响应时对应的外加电位称之为起始电位。起始电位约定俗成的定义为电流密度达到0.5mAcm-2或1.0mAcm-2时对应的电位。
西南科技大学硕士学位论文8剂的常用元素组成，主要集中在贵金属及其合金，非贵金属以及无金属材料（以碳材料为主）三大类[22]。而用于构造HER电催化材料的金属元素丰度分布如图1-4所示[23]。虽然铂基纳米材料表现出可忽略的过电位被认为是商业HER催化剂的典型代表[24,25]，但Pt的丰度约为3.7*10-6%，比其他非贵金属小几个数量级，这决定了其高昂成本的事实。同时，这也是制约电解水制氢大规模发展的根本原因。因此，为了降低制氢成本的核心问题，调控和优化贵金属电子结构、构建廉价过渡金属以及来源广泛的非金属基催化材料等技术途径被广泛研究。图1-3用于电化学析氢催化剂的元素分布图[22]图1-4用于电化学析氢催化材料元素的地壳丰度图[23]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cobalt and nitrogen codoped porous carbon as superior bifunctional electrocatalyst for oxygen reduction and hydrogen evolution reaction in alkaline medium[J]. Xiaoxia Chen,Xiangjun Zhen,Hongyu Gong,Le Li,Jianwei Xiao,Zhi Xu,Deyue Yan,Guyu Xiao,Ruizhi Yang. Chinese Chemical Letters. 2019(03)
[2]石墨烯:单原子层二维碳晶体——2010年诺贝尔物理学奖简介[J]. 朱宏伟. 自然杂志. 2010(06)
博士论文
[1]中国能源系统转型及可再生能源消纳路径研究[D]. 柳逸月.兰州大学 2017
硕士论文
[1]基于双功能纳米电催化剂的可充电锌空气电池储能器件的设计与制备[D]. 曹志钱.安徽大学 2019
[2]镍基电催化剂的制备及其析氧性能研究[D]. 王帅.西南科技大学 2019
[3]超纳米金刚石/多层石墨烯复合薄膜的电化学应用研究[D]. 胡冬玲.西南科技大学 2019
[4]氧化钼纳米复合材料的制备、表征及其在电解水析氢中的应用研究[D]. 李玲.陕西师范大学 2018
[5]Mo2C（W2C）-碳纳米管复合材料的制备及电催化析氢性能[D]. 姬敏.哈尔滨工业大学 2018
[6]MOFs衍生纳米催化剂的合成及其电解水性能的研究[D]. 王翔.兰州大学 2018
[7]过渡金属化合物/碳纳米纤维复合材料的制备及其电化学催化析氢性能研究[D]. 周宇.东华大学 2017
[8]过渡金属磷化物/碳基复合材料制备及其氢析出性能研究[D]. 沈娟霞.温州大学 2016
[9]氮掺杂碳材料的制备及其电化学性能研究[D]. 马行宇.中国石油大学(北京) 2016
本文编号：3213636
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解水示意图
西南科技大学硕士学位论文6图1-2不同材料吉布斯自由能与交换电流密度的火山图[19]目前，普遍研究认为电极材料表面与Hads相互作用时的吉布斯自由能决定了HER的反应速率。不同金属催化HER性能的交换电流密度与吉布斯自由能之间的关系构成火山图模型，符合了Sabatier原理[19][20]，如图1-2所示，催化材料的催化本质由此揭开。如果催化材料表面对Hads的吸附作用力太强，吉布斯自由能较大且小于零。此时电化学吸附过程中很容易发生，但是Heyrovsky或Tafel涉及的Hads脱附过程就会受到抑制；相反，如果催化材料表面对Hads的吸附作用力太弱，吉布斯自由能较大且大于零，导致水合氢离子或者水分子的吸附过程受到阻碍，影响后续的电化学脱附过程，进而限制整个HER反应过程。因此，催化材料与Hads相互作用时的吉布斯自由能处于趋近于零的最优值时，交换电流密度值最大，拥有最佳的HER催化性能。如贵金属铂（Pt）拥有接近于零的吉布斯自由能，表现出最理想的催化性能，被认为是商业催化剂的代表。但其自然稀缺性及高昂的价格严重制约了Pt基催化剂在氢工业的商业应用。鉴于此，各国研究者们纷纷依托于纳米科学与技术开发吉布斯自由能趋近于零的理想HER催化剂。1.4.2析氢反应评价参数为了评价给定催化材料的析氢活性，一些重要的活性评价参数需要仔细研究。比如过电位、电流密度、Tafel斜率、电化学活性面积以及稳定性等。这些活性参数互相关联，共同反映了催化剂的催化性能和反应动力学等信息，以下简要介绍这些活性参数。（1）起始电位及过电位当电解反应发生时，具有明显阴极电流响应时对应的外加电位称之为起始电位。起始电位约定俗成的定义为电流密度达到0.5mAcm-2或1.0mAcm-2时对应的电位。
西南科技大学硕士学位论文8剂的常用元素组成，主要集中在贵金属及其合金，非贵金属以及无金属材料（以碳材料为主）三大类[22]。而用于构造HER电催化材料的金属元素丰度分布如图1-4所示[23]。虽然铂基纳米材料表现出可忽略的过电位被认为是商业HER催化剂的典型代表[24,25]，但Pt的丰度约为3.7*10-6%，比其他非贵金属小几个数量级，这决定了其高昂成本的事实。同时，这也是制约电解水制氢大规模发展的根本原因。因此，为了降低制氢成本的核心问题，调控和优化贵金属电子结构、构建廉价过渡金属以及来源广泛的非金属基催化材料等技术途径被广泛研究。图1-3用于电化学析氢催化剂的元素分布图[22]图1-4用于电化学析氢催化材料元素的地壳丰度图[23]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cobalt and nitrogen codoped porous carbon as superior bifunctional electrocatalyst for oxygen reduction and hydrogen evolution reaction in alkaline medium[J]. Xiaoxia Chen,Xiangjun Zhen,Hongyu Gong,Le Li,Jianwei Xiao,Zhi Xu,Deyue Yan,Guyu Xiao,Ruizhi Yang. Chinese Chemical Letters. 2019(03)
[2]石墨烯:单原子层二维碳晶体——2010年诺贝尔物理学奖简介[J]. 朱宏伟. 自然杂志. 2010(06)
博士论文
[1]中国能源系统转型及可再生能源消纳路径研究[D]. 柳逸月.兰州大学 2017
硕士论文
[1]基于双功能纳米电催化剂的可充电锌空气电池储能器件的设计与制备[D]. 曹志钱.安徽大学 2019
[2]镍基电催化剂的制备及其析氧性能研究[D]. 王帅.西南科技大学 2019
[3]超纳米金刚石/多层石墨烯复合薄膜的电化学应用研究[D]. 胡冬玲.西南科技大学 2019
[4]氧化钼纳米复合材料的制备、表征及其在电解水析氢中的应用研究[D]. 李玲.陕西师范大学 2018
[5]Mo2C（W2C）-碳纳米管复合材料的制备及电催化析氢性能[D]. 姬敏.哈尔滨工业大学 2018
[6]MOFs衍生纳米催化剂的合成及其电解水性能的研究[D]. 王翔.兰州大学 2018
[7]过渡金属化合物/碳纳米纤维复合材料的制备及其电化学催化析氢性能研究[D]. 周宇.东华大学 2017
[8]过渡金属磷化物/碳基复合材料制备及其氢析出性能研究[D]. 沈娟霞.温州大学 2016
[9]氮掺杂碳材料的制备及其电化学性能研究[D]. 马行宇.中国石油大学(北京) 2016
本文编号：3213636
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