过渡金属基电催化剂的制备及其活性调控
发布时间：2021-02-01 02:40
自20世纪末以来,我们面临着巨大的能源危机和日益严重的环境污染。因而节约有限能源、治理污染是当务之急。电催化反应在能源和环境领域均有广泛的应用,尤其是一些新型的能量转换装置,如燃料电池、金属-空气电池和电解水池,其中涉及氧还原（ORR）、析氧（OER）和析氢（HER）三个电化学反应,由于其催化反应中巨大的反应能垒,通常需要使用催化剂来减少反应势垒,从而降低能耗。常用的催化剂都是贵金属基材料如Pt/C、RuO2、IrO2等,但其价格昂贵且含量稀缺。为降低对贵金属的依赖,开发价格低廉且性能优异的非贵金属基催化剂引起了研究者们的广泛关注。以过渡金属（Fe、Co、Ni等）为基础的催化剂具有丰富的活性位点和高的导电性,在电催化科学中非常有潜力来代替贵金属基催化剂,在本论文中,设计、制备了以下三种过渡金属基电催化剂,并对其进行了形貌、结构表征和性能测试,在锌-空气电池和全水裂解的应用中也展示了优异的性能。（一）采用溶剂热法合成了周环含有硫原子的双金属铁钴聚酞菁,在其表面进行二氧化硅包覆,热解后得到由Co8FeS8
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锌空气电池工作原理示意图
第1章绪论4图1.2氧还原反应的不同反应途径与催化剂表面产生的中间体1.2.3析氧反应简介析氧反应（OER）是锌-空电池空气电极上的关键可逆半反应，在很大程度上决定锌-空电池的能量转换效率，电极材料在阳极的OER动力学特别缓慢，是电池效率损失的主要来源之一，而且OER也是催化全水分解的一个重要半反应，因此需要特别的发展。近年来，高级的理论工具和计算研究已在原子级上对OER电催化的机制理解方面取得了重大进展。同时，多项实验研究在技术上探索了具有先进性能和动力学的新型催化材料。析氧反应（OER）因其复杂的四电子过程及O–O键的生成和OH键的断裂（碱性介质：4OH–2H2O+O2+4e），这需要高的超电势来克服高的动能垒，所致的缓慢动力学特征成为制约电池反应整体效率的瓶颈。OER在酸性和碱性条件的OER机制如图1.3所示，具体反应过程如下[16]：酸性条件：阴极：4H++4e→2H2（E=0V）（1-8）阳极：2H2O（l）→O2（g）+4H++4e（E=1.23V）（1-9）碱性条件：阴极：4H2O+4e→2O2+4OH-（E=-0.83V）（1-10）阳极：4OH-→2O2+2H2O（l）+4e（E=-0.40V）（1-11）长久以来，高析氧活性的电催化剂通常是贵金属Ir,Ru基材料。然而这两种元素的稀有性决定了发展储量丰富的过渡金属族OER高活性催化剂的紧迫性。为了替代高价贵金属及其氧化物（RuO2和IrO2）并用于OER电催化，许多过渡金属催化剂由于其低成本、高活性和氧化条件下的稳定性好而被广泛研究。
第1章绪论5图1.3酸性（蓝线）和碱性（红线）条件的OER机制[16]。1.2.4锌-空气电池催化剂的研究现状在过去的研究中，人们对更高能量密度，更便宜和更安全的电池技术产生了浓厚的兴趣，这刺激了人们对改进可充电锌-空气电池开发的兴趣。当前的锌-空气电池的能源效率和循环寿命很差，这主要是由于锌和空气电极的可充电性差。为了在锌阳极中实现高利用率和可循环性，采用了通过优化的策略和替代活性材料的改建来构造导电多孔骨架的方法。同样，有必要设计新的和改进的具有高活性和稳定性的双功能氧电催化剂，可提高电池能量效率和使用寿命。增加催化活性和双功能活性位点数目对于改善空气电极性能是有效的。这里，描述了可充电锌-空气电池在材料开发方面的最新关键进展。通过提高对相关材料性能的基本了解可进一步优化电极催化剂。近年来，研究人员探索了多种非贵金属基纳米材料作为ORR/OER双功能催化剂的可行性。常见的材料有过渡金属氧化物[17-20]、过渡金属硫化物[21-24]、过渡金属氢氧化物[25-28]和过渡金属磷化物[29-31]等。然而，这些材料均存在比表面积较低、导电能力较差等缺陷，与贵金属催化剂相比，电催化活性仍然较低。据报道，如果将过渡金属纳米粒子嵌入到杂原子的碳材料（例如多孔碳材料[32-40]、石墨烯[41-48]、碳纳米管[49-55]等）中，可以大大提高这些材料的电催化活性活性。2015年，MingxiaShen等人[56]利用软模板媒介方法合成了共价包埋在氮掺杂介孔石墨化碳中的钴-铁双硫化物（Co0.5Fe0.5S@N-MC）复合材料，合成方法如图1.4所示，在氮掺杂的介孔石墨碳中共价键合双金属硫化物（Co0.5Fe0.5S）。结果证明，在立方相Co9S8中掺入Fe，铁在双金属硫化物复合物中的适度取代和良好分散易于含氧物质的良
【参考文献】：
期刊论文
[1]Synthesis of 3D Hexagram-Like Cobalt–Manganese Sulfides Nanosheets Grown on Nickel Foam: A Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting[J]. Jingwei Li,Weiming Xu,Jiaxian Luo,Dan Zhou,Dawei Zhang,Licheng Wei,Peiman Xu,Dingsheng Yuan. Nano-Micro Letters. 2018(01)
本文编号：3012052
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锌空气电池工作原理示意图
第1章绪论4图1.2氧还原反应的不同反应途径与催化剂表面产生的中间体1.2.3析氧反应简介析氧反应（OER）是锌-空电池空气电极上的关键可逆半反应，在很大程度上决定锌-空电池的能量转换效率，电极材料在阳极的OER动力学特别缓慢，是电池效率损失的主要来源之一，而且OER也是催化全水分解的一个重要半反应，因此需要特别的发展。近年来，高级的理论工具和计算研究已在原子级上对OER电催化的机制理解方面取得了重大进展。同时，多项实验研究在技术上探索了具有先进性能和动力学的新型催化材料。析氧反应（OER）因其复杂的四电子过程及O–O键的生成和OH键的断裂（碱性介质：4OH–2H2O+O2+4e），这需要高的超电势来克服高的动能垒，所致的缓慢动力学特征成为制约电池反应整体效率的瓶颈。OER在酸性和碱性条件的OER机制如图1.3所示，具体反应过程如下[16]：酸性条件：阴极：4H++4e→2H2（E=0V）（1-8）阳极：2H2O（l）→O2（g）+4H++4e（E=1.23V）（1-9）碱性条件：阴极：4H2O+4e→2O2+4OH-（E=-0.83V）（1-10）阳极：4OH-→2O2+2H2O（l）+4e（E=-0.40V）（1-11）长久以来，高析氧活性的电催化剂通常是贵金属Ir,Ru基材料。然而这两种元素的稀有性决定了发展储量丰富的过渡金属族OER高活性催化剂的紧迫性。为了替代高价贵金属及其氧化物（RuO2和IrO2）并用于OER电催化，许多过渡金属催化剂由于其低成本、高活性和氧化条件下的稳定性好而被广泛研究。
第1章绪论5图1.3酸性（蓝线）和碱性（红线）条件的OER机制[16]。1.2.4锌-空气电池催化剂的研究现状在过去的研究中，人们对更高能量密度，更便宜和更安全的电池技术产生了浓厚的兴趣，这刺激了人们对改进可充电锌-空气电池开发的兴趣。当前的锌-空气电池的能源效率和循环寿命很差，这主要是由于锌和空气电极的可充电性差。为了在锌阳极中实现高利用率和可循环性，采用了通过优化的策略和替代活性材料的改建来构造导电多孔骨架的方法。同样，有必要设计新的和改进的具有高活性和稳定性的双功能氧电催化剂，可提高电池能量效率和使用寿命。增加催化活性和双功能活性位点数目对于改善空气电极性能是有效的。这里，描述了可充电锌-空气电池在材料开发方面的最新关键进展。通过提高对相关材料性能的基本了解可进一步优化电极催化剂。近年来，研究人员探索了多种非贵金属基纳米材料作为ORR/OER双功能催化剂的可行性。常见的材料有过渡金属氧化物[17-20]、过渡金属硫化物[21-24]、过渡金属氢氧化物[25-28]和过渡金属磷化物[29-31]等。然而，这些材料均存在比表面积较低、导电能力较差等缺陷，与贵金属催化剂相比，电催化活性仍然较低。据报道，如果将过渡金属纳米粒子嵌入到杂原子的碳材料（例如多孔碳材料[32-40]、石墨烯[41-48]、碳纳米管[49-55]等）中，可以大大提高这些材料的电催化活性活性。2015年，MingxiaShen等人[56]利用软模板媒介方法合成了共价包埋在氮掺杂介孔石墨化碳中的钴-铁双硫化物（Co0.5Fe0.5S@N-MC）复合材料，合成方法如图1.4所示，在氮掺杂的介孔石墨碳中共价键合双金属硫化物（Co0.5Fe0.5S）。结果证明，在立方相Co9S8中掺入Fe，铁在双金属硫化物复合物中的适度取代和良好分散易于含氧物质的良
【参考文献】：
期刊论文
[1]Synthesis of 3D Hexagram-Like Cobalt–Manganese Sulfides Nanosheets Grown on Nickel Foam: A Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting[J]. Jingwei Li,Weiming Xu,Jiaxian Luo,Dan Zhou,Dawei Zhang,Licheng Wei,Peiman Xu,Dingsheng Yuan. Nano-Micro Letters. 2018(01)
本文编号：3012052
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