固液界面氢电极的理论计算模拟及实验研究
发布时间：2022-01-06 11:22
当前,能源危机和大气污染是一个并存的全球性问题,寻找和开发新能源并将其广泛应用于实际,是实现世界可持续发展的根本方法。燃料电池是新能源研究领域当中最有发展空间的项目,且氢作为重要能源载体,是“最清洁、无污染”的可持续循环利用的燃料。但目前,高效能且环境友好的制氢方法是电解水,其制备采用的电极材料最广泛的是贵金属Pt和Pd。此方法成本较高,且贵金属稀缺,导致不能大规模的使用。而催化剂的设计需要对其催化机理有明确的认识。制备出贵金属催化剂负载量少兼具有高活性和高稳定性的催化剂有很重要的应用和学术价值。本文的思路主要是以Pt、Pd和Rh贵金属为基础,探究了析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction,HER）反应机理,并设计合成路线制备了Rh B NS/C催化剂,研究了其还原剂用量、制备方法及制备条件对催化剂结构和催化性能的影响。主要总结如下:（1）研究了Pt（110）,Pd（110）和Rh（110）在电势条件下的热力学和动力学性能。我们计算了不同电势条件下电势与表面相的关系,计算结果显示随着电势的降低,表面覆盖度逐渐增加。Pt（110）,Pd（110）和Rh（110）在...
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池工作原理图[11]
性能，使用寿命长的阴极电催化剂，成为了当前研究人员的研究方向之一。1.3阴极电催化剂当今，人们所使用的能源依然是化石燃料占主体部分，这也是导致环境大气污染无法得到改善的原因。由此，应运而生的可再生新能源，即如燃料电池就得到了研究人员的关注，因其发展空间巨大且应用十分广泛。同时，因燃料电池的原材料必须达到清洁和零污染的要求具有高能量密度和天然耐受性的H2燃料进入人们的眼帘。因此，被认为是用于可再生能源应用的最有前景的化学燃料，对于制备它所用的催化剂的研究也成为一个研究的重点[13-15]。图1.2电解水工作原理图[18]Fig.1.2Electrolyticwaterworkingprinciplediagram[18]目前，我们所知道的制备氢气的方法有：煤制氢、生物制氢、电解水和烃类制氢等等。其中，电解水的方法最为清洁，无污染，其工作原理如图1.2。并且电解水析氢反应（HER）是氢氧燃料电池HOR过程的逆过程[16]。但是，因其过电势的存在，导致该反应耗能巨大，需要有优良的电催化材料。在传统的制氢反应中，阴极材料所用的催化剂是一些贵金属或者是贵金属合金，其中应用最为广泛的是以Pt作为阴极催化剂。然而，由于近几年贵金属价格的连年上涨和在使用电极催化剂材料过程中的损失，从而限制了该类电极材料的发展[17]。因此，当前我们主要的研究是从催化剂方向出发，寻找到具有高效催化活性且价格低廉的催化剂，从而使得燃料电池的发展迈向更大的一步。当前，电极催化剂大多采用的是贵金属材料。科研人员的研究是为了提高催化剂效率，并降低生产成本，从而达到商业化用于实际生产。于是，人们对催化剂材料及其催
在实验上，人们合成了一系列新型催化剂材料，并对其结构和催化效果进行了表征和测试。同时，从实验上探讨了氢气、甲醛和甲酸等小分子在合成催化剂表面的氧化还原反应行为。在理论上，研究人员主要针对金属结构与性能关系的研究，特别是催化剂表面上的原子和电子结构的物理和化学性能研究，达到对所需功能材料的“裁剪设计”，从而为实验的开展提供理论基础[18]。据了解，电催化材料的研究主要分为两大类：第一类是ORR催化材料，主要是以酞菁化合物为基础去改善合成条件，从而提高催化材料；另一类是HER催化材料，具体分类见图1.3。图1.3电极催化材料的分类Figure1.3Classificationofelectrodecatalyticmaterials1.3.1非贵金属复合催化剂目前市场上，电极材料所用的催化剂应用最广泛的仍然是价格不菲的Pt和Pt基合金等贵金属，而因其价格昂贵且稀少，限制了大规模生产应用。因此，人们努力地寻找旨在克服传统催化剂的高超电势和长期稳定性问题的非贵金属催化剂[19-22]。研究人员以Fe，Co，Ni等为基础的过渡金属复合材料合成了一系列新型催化剂材料，并对其结构和催化效果进行了表征和测试。同时也对其结构和催化机理进行了理论探究。据报道，Fe/N/C催化剂是作为具有代表性的非贵金属电催化还原催化剂，它可能具有与Pt竞争的催化性能。研究人员对其性质进行了探究，特别是在活性位点结构和电催化动力学上。Sun等人[23]基于第一原理计算出Fe/N/C催化剂在酸性条件下的四个电子（4e）和两个电子（2e）氧还原途径。以Fe(CN)N4催化剂为例，其中心动力学均首选4e途径。计算结果表明，OOH的O-OH键断裂是关键的动力学步骤，它是Fe(CN)N4中心的速率决定步骤。并得出了Fe/N/C催化剂的活性中心为五个配位的Fe中心，O-OH键断裂步骤的势垒对电势不敏感，且预测
【参考文献】：
期刊论文
[1]原位生长Pd/Ni（OH）2/NF复合催化剂及其析氢性能[J]. 吴昱,罗键. 物理化学学报. 2016(11)
[2]双极界面聚合物膜燃料电池研究进展[J]. 卢善富,彭思侃,相艳. 物理化学学报. 2016(08)
[3]近年全球铂族金属资源及铂、钯、铑供需状况浅析[J]. 董海刚,汪云华,范兴祥,李柏榆. 资源与产业. 2012(02)
[4]壳聚糖钯催化剂对环戊二烯选择氢化的催化作用研究[J]. 宋立民,李继平,张淑娟. 辽宁化工. 2002(01)
本文编号：3572358
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池工作原理图[11]
性能，使用寿命长的阴极电催化剂，成为了当前研究人员的研究方向之一。1.3阴极电催化剂当今，人们所使用的能源依然是化石燃料占主体部分，这也是导致环境大气污染无法得到改善的原因。由此，应运而生的可再生新能源，即如燃料电池就得到了研究人员的关注，因其发展空间巨大且应用十分广泛。同时，因燃料电池的原材料必须达到清洁和零污染的要求具有高能量密度和天然耐受性的H2燃料进入人们的眼帘。因此，被认为是用于可再生能源应用的最有前景的化学燃料，对于制备它所用的催化剂的研究也成为一个研究的重点[13-15]。图1.2电解水工作原理图[18]Fig.1.2Electrolyticwaterworkingprinciplediagram[18]目前，我们所知道的制备氢气的方法有：煤制氢、生物制氢、电解水和烃类制氢等等。其中，电解水的方法最为清洁，无污染，其工作原理如图1.2。并且电解水析氢反应（HER）是氢氧燃料电池HOR过程的逆过程[16]。但是，因其过电势的存在，导致该反应耗能巨大，需要有优良的电催化材料。在传统的制氢反应中，阴极材料所用的催化剂是一些贵金属或者是贵金属合金，其中应用最为广泛的是以Pt作为阴极催化剂。然而，由于近几年贵金属价格的连年上涨和在使用电极催化剂材料过程中的损失，从而限制了该类电极材料的发展[17]。因此，当前我们主要的研究是从催化剂方向出发，寻找到具有高效催化活性且价格低廉的催化剂，从而使得燃料电池的发展迈向更大的一步。当前，电极催化剂大多采用的是贵金属材料。科研人员的研究是为了提高催化剂效率，并降低生产成本，从而达到商业化用于实际生产。于是，人们对催化剂材料及其催
在实验上，人们合成了一系列新型催化剂材料，并对其结构和催化效果进行了表征和测试。同时，从实验上探讨了氢气、甲醛和甲酸等小分子在合成催化剂表面的氧化还原反应行为。在理论上，研究人员主要针对金属结构与性能关系的研究，特别是催化剂表面上的原子和电子结构的物理和化学性能研究，达到对所需功能材料的“裁剪设计”，从而为实验的开展提供理论基础[18]。据了解，电催化材料的研究主要分为两大类：第一类是ORR催化材料，主要是以酞菁化合物为基础去改善合成条件，从而提高催化材料；另一类是HER催化材料，具体分类见图1.3。图1.3电极催化材料的分类Figure1.3Classificationofelectrodecatalyticmaterials1.3.1非贵金属复合催化剂目前市场上，电极材料所用的催化剂应用最广泛的仍然是价格不菲的Pt和Pt基合金等贵金属，而因其价格昂贵且稀少，限制了大规模生产应用。因此，人们努力地寻找旨在克服传统催化剂的高超电势和长期稳定性问题的非贵金属催化剂[19-22]。研究人员以Fe，Co，Ni等为基础的过渡金属复合材料合成了一系列新型催化剂材料，并对其结构和催化效果进行了表征和测试。同时也对其结构和催化机理进行了理论探究。据报道，Fe/N/C催化剂是作为具有代表性的非贵金属电催化还原催化剂，它可能具有与Pt竞争的催化性能。研究人员对其性质进行了探究，特别是在活性位点结构和电催化动力学上。Sun等人[23]基于第一原理计算出Fe/N/C催化剂在酸性条件下的四个电子（4e）和两个电子（2e）氧还原途径。以Fe(CN)N4催化剂为例，其中心动力学均首选4e途径。计算结果表明，OOH的O-OH键断裂是关键的动力学步骤，它是Fe(CN)N4中心的速率决定步骤。并得出了Fe/N/C催化剂的活性中心为五个配位的Fe中心，O-OH键断裂步骤的势垒对电势不敏感，且预测
【参考文献】：
期刊论文
[1]原位生长Pd/Ni（OH）2/NF复合催化剂及其析氢性能[J]. 吴昱,罗键. 物理化学学报. 2016(11)
[2]双极界面聚合物膜燃料电池研究进展[J]. 卢善富,彭思侃,相艳. 物理化学学报. 2016(08)
[3]近年全球铂族金属资源及铂、钯、铑供需状况浅析[J]. 董海刚,汪云华,范兴祥,李柏榆. 资源与产业. 2012(02)
[4]壳聚糖钯催化剂对环戊二烯选择氢化的催化作用研究[J]. 宋立民,李继平,张淑娟. 辽宁化工. 2002(01)
本文编号：3572358
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