氢-氧燃料电池相关反应非贵金属电催化剂研究
发布时间：2021-08-27 08:16
随着全球能源危机与环境问题日益严重,人类对洁净新能源的需求越来越迫切。氢气能量密度高、清洁可再生,被认为是代替传统化石能源的新型能源载体。氢-氧燃料电池作为洁净发电技术,其大规模应用目前仍面临两大科学技术挑战,一是阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢,催化剂活性亟需提高;二是缺乏高效洁净的规模化制氢方式。电解水制氢技术洁净高效,但电解水反应需要高效的阴极析氢反应（HER）催化剂和阳极析氧反应（OER）催化剂。本论文围绕电解水制氢及燃料电池涉及的主要电化学反应（HER,OER及ORR）,设计开发了多种代Pt催化剂,并深入研究了电催化剂的构效关系,主要内容如下:（1）采用溶剂热法和拓扑磷化相结合的合成方法,制备具有不同粒径的碳载型CoP纳米电催化剂（CoP/C）,并进一步研究CoP/C作为电解水HER电催化剂的粒径效应。TEM、电化学循环伏安、阻抗谱、XPS的研究结果表明,在所研究的粒径范围内（3-10 nm）,HER在CoP/C表面均遵循Heyrovsky-Volmer机理,并以Hads脱附为速率控制步骤;CoP对HER的本征催化活性随其粒径的增大而增加,主要归因于C...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢能源系统示意图[7]
符合现代经济和环境可持续发展的目标。因此，电化学催化制氢技术是制氢的一种的理想途径。燃料电池技术可以将贮存在氢气和氧化剂中的化学能直接转化为电能，装置原理上不受卡诺循环的限制，能量转化率高，是被广泛认可最具发展前途的能量转换装置。所以，氢能和燃料电池技术成为能源技术革命和能源结构变革的重要研究课题，发展氢能和燃料电池战略性新兴产业日益成为应对能源环境问题、保障能源安全和可持续发展的战略选择，对于我国构建清洁低碳、安全高效的能源体系，进一步推进能源生产和消费的绿色化具有重大意义。图1.2燃料电池分类及其燃料电池技术的运行温度、效率、系统复杂性、制造成本和材料成本之间关系趋势[11]Fig.1.2Fuelcelltypes,showingthegeneraltrendintherelationshipbetweentheoperationtemperature,efficiency,systemcomplexity,fabricationcostandmaterialscostoftheFCtechnologies[11]电化学电解制氢和燃料电池技术中涉及的基础的电化学过程主要包括氢气析出反应（HER）、氧气析出反应（OER）以及氧气还原反应（ORR）[12]。通常电化学反应迟缓，大部分反应目前商用的催化剂以贵金属电催化剂为主，但贵金属价格昂贵且资源有限，制约了电化学电解制氢和燃料电池技术的产业化发展。因此亟需开发廉价，高效及稳定的代贵金属催化剂。下面将分别对非贵金属析氢电催化剂，非贵金属析氧电催化剂及非贵金属氧还原电催化剂进行介绍。1.1非贵金属析氢电催化剂
青岛科技大学研究生学位论文3图1.3元素周期表中用于构建HER电催化剂的主要元素[5]Fig.1.3ElementsthatareusedforconstructingHERelectrocatalysts[5]目前电催化电解制氢技术占全世界氢燃料的比例较低，限制其发展的主要问题仍是缺乏有效的代贵金属催化剂。对电解水制氢技术的经济适用性分析表明，如果用于电解水的电力成本不超过4美分/千瓦时（kWh），同时电解水能量转换效率高于60%的情况下，电合成法制备H2等产品将具有巨大的市场发展潜力。因此，开发替代贵金属的电解水催化剂是目前的研究热点和难点。在元素周期表中常用于构建析氢电催化剂的元素，如图1.3所示。根据其物理化学特性，可以分为以下三类：1，贵金属铂族催化剂；2，用于构建非贵金属电催化剂的过渡金属元素，主要有铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、钼（Mo）和钨（W）等；3，用于构建非贵金属电催化剂的非金属元素，主要有碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）、硼（B）和硒（Se）等[12]。HER为二电子转移的电化学反应，是基础电化学反应之一。但其发展的几十年来电化学电解制氢的三个基本问题依然存在：1，缺乏高效、稳定和低成本的非贵金属催化剂；2，催化剂的使用寿命尚不能满足实际应用的要求；3，对于电解水制氢阳极OER反应的过电位大，电解效率低，能耗较大[13]。Pt等贵金属是目前商用的电解水制氢催化剂，但其资源稀少价格昂贵，制约了其规模化应用。因此，开发具有低成本、高效和稳定的非贵金属基电催化剂仍是HER反应领域的研究热点和重点。目前研究较为广泛的非贵金属催化剂为过渡金属与非金属元素形成的化合物，如碳化物、氮化物、硼化物，硫化物和磷化物等[14-23]。下面以过渡金属磷化物为例进行详细介绍。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属硫(磷)化物用于电化学析氢反应[J]. 于鹏,李景虹. 应用化学. 2018(09)
[2]电催化析氢、析氧及氧还原的研究进展[J]. 郭亚肖,商昌帅,李敬,汪尔康. 中国科学:化学. 2018(08)
[3]自支撑型过渡金属磷化物电催化析氢反应研究[J]. 吕宪伟,胡忠攀,赵挥,刘玉萍,袁忠勇. 化学进展. 2018(07)
[4]Evolving strategies for tumor immunotherapy:enhancing the enhancer and suppressing the suppressor[J]. Yan Gu,Yanfang Liu,Xuetao Cao. National Science Review. 2017(02)
[5]过渡金属磷化物的制备和催化性能研究[J]. 刘理华,李广慈,刘迪,柳云骐,刘晨光. 化学进展. 2010(09)
本文编号：3365995
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢能源系统示意图[7]
符合现代经济和环境可持续发展的目标。因此，电化学催化制氢技术是制氢的一种的理想途径。燃料电池技术可以将贮存在氢气和氧化剂中的化学能直接转化为电能，装置原理上不受卡诺循环的限制，能量转化率高，是被广泛认可最具发展前途的能量转换装置。所以，氢能和燃料电池技术成为能源技术革命和能源结构变革的重要研究课题，发展氢能和燃料电池战略性新兴产业日益成为应对能源环境问题、保障能源安全和可持续发展的战略选择，对于我国构建清洁低碳、安全高效的能源体系，进一步推进能源生产和消费的绿色化具有重大意义。图1.2燃料电池分类及其燃料电池技术的运行温度、效率、系统复杂性、制造成本和材料成本之间关系趋势[11]Fig.1.2Fuelcelltypes,showingthegeneraltrendintherelationshipbetweentheoperationtemperature,efficiency,systemcomplexity,fabricationcostandmaterialscostoftheFCtechnologies[11]电化学电解制氢和燃料电池技术中涉及的基础的电化学过程主要包括氢气析出反应（HER）、氧气析出反应（OER）以及氧气还原反应（ORR）[12]。通常电化学反应迟缓，大部分反应目前商用的催化剂以贵金属电催化剂为主，但贵金属价格昂贵且资源有限，制约了电化学电解制氢和燃料电池技术的产业化发展。因此亟需开发廉价，高效及稳定的代贵金属催化剂。下面将分别对非贵金属析氢电催化剂，非贵金属析氧电催化剂及非贵金属氧还原电催化剂进行介绍。1.1非贵金属析氢电催化剂
青岛科技大学研究生学位论文3图1.3元素周期表中用于构建HER电催化剂的主要元素[5]Fig.1.3ElementsthatareusedforconstructingHERelectrocatalysts[5]目前电催化电解制氢技术占全世界氢燃料的比例较低，限制其发展的主要问题仍是缺乏有效的代贵金属催化剂。对电解水制氢技术的经济适用性分析表明，如果用于电解水的电力成本不超过4美分/千瓦时（kWh），同时电解水能量转换效率高于60%的情况下，电合成法制备H2等产品将具有巨大的市场发展潜力。因此，开发替代贵金属的电解水催化剂是目前的研究热点和难点。在元素周期表中常用于构建析氢电催化剂的元素，如图1.3所示。根据其物理化学特性，可以分为以下三类：1，贵金属铂族催化剂；2，用于构建非贵金属电催化剂的过渡金属元素，主要有铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、钼（Mo）和钨（W）等；3，用于构建非贵金属电催化剂的非金属元素，主要有碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）、硼（B）和硒（Se）等[12]。HER为二电子转移的电化学反应，是基础电化学反应之一。但其发展的几十年来电化学电解制氢的三个基本问题依然存在：1，缺乏高效、稳定和低成本的非贵金属催化剂；2，催化剂的使用寿命尚不能满足实际应用的要求；3，对于电解水制氢阳极OER反应的过电位大，电解效率低，能耗较大[13]。Pt等贵金属是目前商用的电解水制氢催化剂，但其资源稀少价格昂贵，制约了其规模化应用。因此，开发具有低成本、高效和稳定的非贵金属基电催化剂仍是HER反应领域的研究热点和重点。目前研究较为广泛的非贵金属催化剂为过渡金属与非金属元素形成的化合物，如碳化物、氮化物、硼化物，硫化物和磷化物等[14-23]。下面以过渡金属磷化物为例进行详细介绍。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属硫(磷)化物用于电化学析氢反应[J]. 于鹏,李景虹. 应用化学. 2018(09)
[2]电催化析氢、析氧及氧还原的研究进展[J]. 郭亚肖,商昌帅,李敬,汪尔康. 中国科学:化学. 2018(08)
[3]自支撑型过渡金属磷化物电催化析氢反应研究[J]. 吕宪伟,胡忠攀,赵挥,刘玉萍,袁忠勇. 化学进展. 2018(07)
[4]Evolving strategies for tumor immunotherapy:enhancing the enhancer and suppressing the suppressor[J]. Yan Gu,Yanfang Liu,Xuetao Cao. National Science Review. 2017(02)
[5]过渡金属磷化物的制备和催化性能研究[J]. 刘理华,李广慈,刘迪,柳云骐,刘晨光. 化学进展. 2010(09)
本文编号：3365995
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