碳基过渡金属复合材料的制备及其在电催化领域中的应用
发布时间：2022-01-01 02:45
电催化反应是能源存储与转换装置的核心,其主要包括析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）,但这些反应的动力学迟缓,需要高效的催化剂加速反应的进行。本文以三聚氰胺海绵为碳骨架,制备了碳基过渡金属复合材料,并考察了其在电催化领域中的应用,具体成果如下:1.以三聚氰胺海绵为碳骨架,单宁酸为螯合剂,六水合氯化铁及六水合氯化钴为双金属源,通过高温碳化制备了嵌入铁钴合金纳米颗粒的氮掺杂碳材料FeCo-TA@CMS,以XRD、SEM、TEM、XPS、Raman和BET等手段对材料进行了表征。2.在碱性条件下测试FeCo-TA@CMS的HER性能。测试结果表明,电流密度为10 mA cm-2时,其过电势为233 mV,且经过1000圈连续测试后具有良好稳定性,由电化学活性面积（ECSA）导出其双电层电容(Cdl)为41.1 mF cm-2,表明其对催化HER具有高活性。3.在碱性条件下测试FeCo-TA@CMS的OER性能。测试结果表明,其催化OER达到10 mA cm-2时所需过电势为380 ...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多种金属的HER活性火山图[26]
青岛科技大学研究生学位论文5氧化过程与水反应失去电子生成MOOH中间体和质子，MOOH中间体再与水结合生成氧气。与之类似，在碱性条件下，M直接与氢氧根反应失去电子生成M-OH，M-OH继续与氢氧根反应失去电子生成M-O及水，最后两个M-O直接结合生成氧气，或者M-O与氢氧根反应失去电子生成MOOH中间体，MOOH中间体再与氢氧根结合生成氧气。图1-2多种金属的OER活性火山图[29]Fig.1-2ActivityofvariousmetalstowardsOER传统贵金属基催化剂（RuO2和IrO2）由于其金属活性位点对反应中间体达到较好的吸附与脱附间的平衡，展现了优异的催化活性和稳定性，但是在高电位下性能依旧不够稳定[30]，此外，贵金属的高成本和资源稀缺性也阻碍贵金属基催化剂的商业应用。非贵金属及过渡金属基催化剂由于价格低廉，资源相对丰富，成为贵金属基催化剂的良好替代品。由图1-2可以看出，在电流密度为1mAcm-2时，镍铁氧化物和镍钴氧化物的过电势较低，且多元金属催化剂相对单一金属组成的催化剂催化效率更高。
青岛科技大学研究生学位论文7图1-3多种金属的ORR活性火山图[38]Fig.1-3ActivityofvariousmetalstowardsORRORR过程中会产生多种中间体（如O*，OOH*，OH*），这些中间体在催化剂表面的吸附状态会影响反应的动力学，若中间体在电极表面的吸附能力较弱，则不利于电子与质子的传递，若O*、OOH*等中间体在催化剂表面的吸附能力过强，则不利于产物的脱附，变相减少了活性位点的数量，不利于吸附态氧气分子的形成[39]。研究人员根据中间体与催化剂表面结合能的关系得出ORR的“火山图”，由图1-3可知，从催化活性与结合能两方面考虑，贵金属Pt性能最强。但与HER及OER类似，Pt的高成本和资源稀缺性导致其无法大规模应用[40]。1.3多功能电催化剂的研究进展近年来，高效的能源转换和存储装置成为科研人员的研究热点之一。常见的能源转换装置，如燃料电池、可充电金属-空气电池、电解水装置等都涉及到多个氧气与水之间的转换反应。如果将单功能催化剂应用于包含多个反应的能源转换装置中，不同催化剂之间可能会因为相互作用而引发副反应，而且还提高了装置的成本和安装难度[41]。多功能催化剂因为可以在同一个电极上发生多种反应且不会引发副反应受到科研人员的广泛关注。下面将对多功能催化剂的研究进展展开介绍。
本文编号：3561490
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多种金属的HER活性火山图[26]
青岛科技大学研究生学位论文5氧化过程与水反应失去电子生成MOOH中间体和质子，MOOH中间体再与水结合生成氧气。与之类似，在碱性条件下，M直接与氢氧根反应失去电子生成M-OH，M-OH继续与氢氧根反应失去电子生成M-O及水，最后两个M-O直接结合生成氧气，或者M-O与氢氧根反应失去电子生成MOOH中间体，MOOH中间体再与氢氧根结合生成氧气。图1-2多种金属的OER活性火山图[29]Fig.1-2ActivityofvariousmetalstowardsOER传统贵金属基催化剂（RuO2和IrO2）由于其金属活性位点对反应中间体达到较好的吸附与脱附间的平衡，展现了优异的催化活性和稳定性，但是在高电位下性能依旧不够稳定[30]，此外，贵金属的高成本和资源稀缺性也阻碍贵金属基催化剂的商业应用。非贵金属及过渡金属基催化剂由于价格低廉，资源相对丰富，成为贵金属基催化剂的良好替代品。由图1-2可以看出，在电流密度为1mAcm-2时，镍铁氧化物和镍钴氧化物的过电势较低，且多元金属催化剂相对单一金属组成的催化剂催化效率更高。
青岛科技大学研究生学位论文7图1-3多种金属的ORR活性火山图[38]Fig.1-3ActivityofvariousmetalstowardsORRORR过程中会产生多种中间体（如O*，OOH*，OH*），这些中间体在催化剂表面的吸附状态会影响反应的动力学，若中间体在电极表面的吸附能力较弱，则不利于电子与质子的传递，若O*、OOH*等中间体在催化剂表面的吸附能力过强，则不利于产物的脱附，变相减少了活性位点的数量，不利于吸附态氧气分子的形成[39]。研究人员根据中间体与催化剂表面结合能的关系得出ORR的“火山图”，由图1-3可知，从催化活性与结合能两方面考虑，贵金属Pt性能最强。但与HER及OER类似，Pt的高成本和资源稀缺性导致其无法大规模应用[40]。1.3多功能电催化剂的研究进展近年来，高效的能源转换和存储装置成为科研人员的研究热点之一。常见的能源转换装置，如燃料电池、可充电金属-空气电池、电解水装置等都涉及到多个氧气与水之间的转换反应。如果将单功能催化剂应用于包含多个反应的能源转换装置中，不同催化剂之间可能会因为相互作用而引发副反应，而且还提高了装置的成本和安装难度[41]。多功能催化剂因为可以在同一个电极上发生多种反应且不会引发副反应受到科研人员的广泛关注。下面将对多功能催化剂的研究进展展开介绍。
本文编号：3561490
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