几种纳米结构电极的制备及电催化性能研究
发布时间：2021-09-02 10:34
纳米材料由于其特殊的材料结构和特性使其广泛应用于电催化、燃料电池、生物传感器和光催化等众多领域。制备纳米材料的方法已经报导了许多,也不断有新方法出现,其中电化学法由于其操作简单、环境友好、条件温和等特点,可快速制备纳米材料。本论文采用电化学和化学法联用制备了几种纳米结构材料,研究了其在电催化分解水、电催化氧化乙醇和电催化还原硝酸盐方面的应用,本论文主要研究内容如下:1、采用阴极恒电势电沉积法和水热法相结合制备镍铁硫化物（NiFe-S/NF）纳米片薄膜,并用于电解水析氧。首先,以泡沫镍（NF）为基底,在含氯化铁和氯化镍的混合溶液中,在高度阴极化的电势下快速制备出NiFe/NF粗糙表面,洗净后放入含硫脲溶液的反应釜中进行水热反应,得到Ni Fe-S/NF薄膜电极。考察了水热温度、时间、硫脲浓度对电极催化性能的影响,结果表明,此电催化剂能高效电催化分解水析氧,当电流密度为10 mA cm-2时,超电势仅为245 mV（无内阻补偿）。同时,10 h稳定性测试表明它也显示出良好的稳定性。2、采用阴极电沉积结合原位化学修饰法在泡沫镍（NF）基底上快速制备了NiFeOH-NiF...
【文章来源】：湖南师范大学湖南省 211工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
NTAs-NF电催化剂的制备过程图解[7]
硕士学位论文2方法有恒电流法，恒电势沉积法，循环伏安法等。我们可以通过调节电化学沉积条件（改变电流、电位、溶液浓度、PH值、温度等）来精确调控电沉积的镀层厚度、结构和化学组成等条件从而控制所需的特性，该方法具有简单快速、成本低等优点。如Zhang等[6]利用阴极恒电势电沉积法在泡沫镍上成功合成树枝状核壳型镍铁铜金属/金属氧化物电极用于分解水析氧。Xu等[7]通过电沉积法在泡沫镍上制备非晶态的镍铁纳米管阵列（NiFeNTAs-NF），作为用于整体水分解的高性能非贵金属双功能电催化剂。图1-1NTAs-NF电催化剂的制备过程图解[7]。电化学阳极氧化法是指通过改变电压或改变电解液组成对材料实施表面重塑来得到不同尺寸和形貌的纳米材料。更重要的是，阳极氧化法具有成本低，可大规模制备，易于分离，纯化方便等优势。Patil等[8]通过电化学阳极氧化法在60V下氧化钛箔4小时，成功制备了TiO2纳米管，显示了孔径高达80nm的蜂窝状形态，横截面图像显示了长度为18m的纳米管的形成，这样的纳米管适用于高效超级电容器（图1-2）。图1-2TiO2纳米管的FE-SEM图像：（a）顶视图和（b）截面图[8]。
硕士学位论文4为了驱动OER和HER（分解水），在标准状况下的最低理论电压要求为1.23V[13]。由于二电子转移（HER）和四电子-质子偶联反应（OER）途径在动力学上会引起较大的能垒，从而严重减慢电催化水分解动力学。实际过程中需要额外的能量（即活化能）使反应以可观的速率进行，术语“过电位”（通常用符号表示）描述需要施加多少附加电压得以获得給定的电流密度，这种额外的能量要求至少高于1.23V，即：过电位/V=ERHE1.23，而使用电催化剂的目的是尽量减少过电位[14-15]。图1-3水解电解槽原理图及相关反应动力学[12]。1.2.2电解水析氧反应电化学分解水过程中，水分解产生的氢氧根离子（OH）向阳极移动并在阳极上有释放氧气，即电解水析氧反应（OER）。析氧反应高度依赖pH，在酸性和中性条件下，两个水分子（H2O）被氧化为四个质子（H+）和氧分子（O2），而氢氧根（OH）在碱性环境中被氧化并转化为H2O和O2。具体情况如下：在酸性条件下的机理：M+H2O(l)→MOH+H++e（1-1）MOH+OH→MO+H2O(l)+e（1-2）2MO→2M+O2(g)（1-3）MO+H2O(l)→MOOH+H++e（1-4）MOOH+H2O(l)→M+O2(g)+H++e（1-5）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于富缺陷镍铁水滑石材料的高效析氧电极(英文)[J]. 熊旭亚,蔡钊,周道金,张国新,张倩,贾茵,段欣旋,谢启贤,赖仕斌,谢添慧,李亚平,孙晓明,段雪. Science China Materials. 2018(07)
[2]浅谈我国地下水氮污染及修复技术[J]. 康彩霞,谢涛,朱琴. 科技传播. 2010(16)
[3]氨氮污染地下水的动态实验研究[J]. 杨维,郭毓,王泳,杨军峰,王立东,王虎. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2007(05)
[4]纳米材料综述[J]. 杨剑,滕凤恩. 材料导报. 1997(02)
本文编号：3378854
【文章来源】：湖南师范大学湖南省 211工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
NTAs-NF电催化剂的制备过程图解[7]
硕士学位论文2方法有恒电流法，恒电势沉积法，循环伏安法等。我们可以通过调节电化学沉积条件（改变电流、电位、溶液浓度、PH值、温度等）来精确调控电沉积的镀层厚度、结构和化学组成等条件从而控制所需的特性，该方法具有简单快速、成本低等优点。如Zhang等[6]利用阴极恒电势电沉积法在泡沫镍上成功合成树枝状核壳型镍铁铜金属/金属氧化物电极用于分解水析氧。Xu等[7]通过电沉积法在泡沫镍上制备非晶态的镍铁纳米管阵列（NiFeNTAs-NF），作为用于整体水分解的高性能非贵金属双功能电催化剂。图1-1NTAs-NF电催化剂的制备过程图解[7]。电化学阳极氧化法是指通过改变电压或改变电解液组成对材料实施表面重塑来得到不同尺寸和形貌的纳米材料。更重要的是，阳极氧化法具有成本低，可大规模制备，易于分离，纯化方便等优势。Patil等[8]通过电化学阳极氧化法在60V下氧化钛箔4小时，成功制备了TiO2纳米管，显示了孔径高达80nm的蜂窝状形态，横截面图像显示了长度为18m的纳米管的形成，这样的纳米管适用于高效超级电容器（图1-2）。图1-2TiO2纳米管的FE-SEM图像：（a）顶视图和（b）截面图[8]。
硕士学位论文4为了驱动OER和HER（分解水），在标准状况下的最低理论电压要求为1.23V[13]。由于二电子转移（HER）和四电子-质子偶联反应（OER）途径在动力学上会引起较大的能垒，从而严重减慢电催化水分解动力学。实际过程中需要额外的能量（即活化能）使反应以可观的速率进行，术语“过电位”（通常用符号表示）描述需要施加多少附加电压得以获得給定的电流密度，这种额外的能量要求至少高于1.23V，即：过电位/V=ERHE1.23，而使用电催化剂的目的是尽量减少过电位[14-15]。图1-3水解电解槽原理图及相关反应动力学[12]。1.2.2电解水析氧反应电化学分解水过程中，水分解产生的氢氧根离子（OH）向阳极移动并在阳极上有释放氧气，即电解水析氧反应（OER）。析氧反应高度依赖pH，在酸性和中性条件下，两个水分子（H2O）被氧化为四个质子（H+）和氧分子（O2），而氢氧根（OH）在碱性环境中被氧化并转化为H2O和O2。具体情况如下：在酸性条件下的机理：M+H2O(l)→MOH+H++e（1-1）MOH+OH→MO+H2O(l)+e（1-2）2MO→2M+O2(g)（1-3）MO+H2O(l)→MOOH+H++e（1-4）MOOH+H2O(l)→M+O2(g)+H++e（1-5）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于富缺陷镍铁水滑石材料的高效析氧电极(英文)[J]. 熊旭亚,蔡钊,周道金,张国新,张倩,贾茵,段欣旋,谢启贤,赖仕斌,谢添慧,李亚平,孙晓明,段雪. Science China Materials. 2018(07)
[2]浅谈我国地下水氮污染及修复技术[J]. 康彩霞,谢涛,朱琴. 科技传播. 2010(16)
[3]氨氮污染地下水的动态实验研究[J]. 杨维,郭毓,王泳,杨军峰,王立东,王虎. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2007(05)
[4]纳米材料综述[J]. 杨剑,滕凤恩. 材料导报. 1997(02)
本文编号：3378854
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