氮掺杂碳材料负载碳化钼作为析氢电催化剂

发布时间：2017-10-12 13:05

  本文关键词：氮掺杂碳材料负载碳化钼作为析氢电催化剂

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【摘要】：氢能源是一种重要的新能源。氢气具有较高的燃烧值,产物是水,无污染;此外氢的来源丰富,可以将其它形式的能源储存在氢气中,是一种理想的能源载体。电解水是重要的制氢方法,具有电解效率高、氢气纯度高等优点。然而,电解析氢反应往往需要较大的过电位,能耗大,不符合新能源发展的需求。虽然铂系贵金属具有较高的催化活性,但严重受限于其高昂的造价。如何解决高制氢效率与低催化剂成本之间的矛盾是该领域的重要研究方向。为了制备经济、高效的析氢电催化材料,本文主要制备了碳氮材料负载的金属、金属碳化物电催化剂。氮掺杂碳材料可以改善活性物质的分散度,提高材料的导电性,从而优化催化剂的活性。本文主要工作内容如下:一、碳化钼负载在碳氮材料上的电催化剂。通过水热法将葡萄糖、三聚氰胺和钼酸铵聚合后得到MoOx/多糖中间体,进一步高温碳化后得到MoCx/CN。该方法合成简单,可通过控制三聚氰胺的加入量来控制所得催化剂性能。同时,所用原料价格低廉,能在300 mV过电位下达到72 mA cm-2电流密度,活性明显高于非负载的碳化钼催化剂,以及文献报道的相关催化剂。二、高温热解法制备Mo_2C/CN电催化剂。采用一步合成法,将钼酸铵和三聚氰胺机械混合均匀后直接高温煅烧,得到最终的催化剂。通过低温(400 oC)的热处理,再高温焙烧,获得活性较高的催化剂。在过电位为300 mV下达到55mA cm-1的电流密度。此外,还尝试在其中加入碳纳米管,改善催化剂的分散性和导电性。高温热解法制备拓展——Co@CN_x电催化剂。将钴源和单氰胺溶解后搅干,高温热解后得到Co@CN_x催化剂。通过SEM、TEM、XRD等表征了材料的结构、合成规律。电化学测试发现所得催化剂活性较低,可能是CN_x无法包裹金属钴,导致活性物质被酸洗洗去,催化活性降低。三、初步探索了以三聚氰胺和葡萄糖为原料的水热法制备碳氮材料CN_x,研究其形貌变化规律和电催化性能。催化性能仍需进一步改善。工作中发现铂片作为对电极时会少量溶解于电解液,并电镀到阴极的CN_x上,从而产生了较高的析氢性能。该发现一方面为制备高活性、低负载量的铂基催化剂提供了新的方法;另一方面,在非贵金属催化剂的电化学测试中,应尽量避免贵金属对电极的使用,例如采用石墨棒作为对电极。
【关键词】：氮掺杂的碳 碳化钼 电催化 析氢反应 水热法 包覆
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-30
• 1.1 引言11-12
• 1.2 氢能的优点12-13
• 1.3 氢源的获取13-15
• 1.4 电解水析氢反应15-18
• 1.5 氮掺杂的碳材料概述18
• 1.6 氮掺杂的碳材料18-25
• 1.6.1 氮掺杂的石墨烯19-20
• 1.6.2 氮掺杂的碳纳米管20-21
• 1.6.3 高度多孔和介孔碳21-23
• 1.6.4 氮化碳（g-C3N4）23-25
• 1.6.5 其他类型的碳结构25
• 1.7 碳氮材料在析氢方面的应用25-28
• 1.8 本文选题意义和研究内容28-30
• 第二章 试剂与实验方法30-37
• 2.1 实验试剂30-31
• 2.2 表征方法31-34
• 2.2.1 粉末X射线衍射分析（XRD）31
• 2.2.2 场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）31-32
• 2.2.3 场发射透射电子显微镜（FE-TEM）32
• 2.2.4 X射线光电子能谱分析（XPS）32-33
• 2.2.5 拉曼光谱（Raman Spectroscopy）33
• 2.2.6 氮气吸脱附比表面测试仪 （N2 Sorption Isothermal）33
• 2.2.7 碳氢氮元素分析 （CHN Element Analyzer）33
• 2.2.8 电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）33-34
• 2.3 电化学性能测试34-37
• 2.3.1 电化学性能测试系统34
• 2.3.2 工作电极的制作34-35
• 2.3.3 参比电极35
• 2.3.4 线性扫描伏安法（LSV）35
• 2.3.5 循环伏安法（CV）35
• 2.3.6 塔菲尔曲线（Tafel）35
• 2.3.7 电化学阻抗谱（EIS）35-37
• 第三章 碳化钼负载在碳氮材料上的电催化剂37-52
• 3.1 引言37-39
• 3.1.1 碳化钼负载在碳氮材料上的合成思路38-39
• 3.1.2 碳化钼负载在碳氮材料上的制备方法39
• 3.2 实验结果与讨论39-48
• 3.2.1 场发射扫描电子显微镜（SEM）39-40
• 3.2.2 场发透射电子显微镜（TEM）40-41
• 3.2.3 X射线衍射光谱（XRD）41-42
• 3.2.4 拉曼光谱（Raman）42
• 3.2.5 氮气吸附等温曲线42-43
• 3.2.6 ICP-AES和碳氢氮元素分析（CHN element analyzer）43-44
• 3.2.7 X射线光电子能谱（XPS）44-45
• 3.2.8 线性扫描伏安法（LSV）和塔菲尔曲线（Tafel）45-46
• 3.2.9 交流阻抗谱（EIS）46-47
• 3.2.10　稳定性47-48
• 3.3 拓展探索48-51
• 3.3.1 改变水热温度48-49
• 3.3.2 改变Mo: C的投料49-50
• 3.3.3 改变焙烧温度50-51
• 3.4 小结51-52
• 第四章 高温热解法制备碳化钼负载在碳氮材料上的电催化剂52-74
• 4.1 引言52-53
• 4.2 Mo_2C@NC电催化剂53-60
• 4.2.1 Mo_2C@NC电催化剂的制备53-54
• 4.2.2 Mo_2C@NC场发射扫描电子显微镜(SEM)54
• 4.2.3 Mo_2C@NC的XRD图54-55
• 4.2.4 Mo_2C@NC的线性扫描伏安法（LSV）55-56
• 4.2.5 Mo_2C@NC 400 oC保持不同时间的SEM图56-57
• 4.2.6 Mo_2C@NC 400 oC, 30 min, A:M=1:4 的TEM图57-58
• 4.2.7 Mo_2C@NC 400 oC保持不同时间的XRD图58-59
• 4.2.8 Mo_2C@NC 400 oC保持不同时间的LSV图59-60
• 4.2.9 小结60
• 4.3 Mo_2C@NCNT电催化剂60-64
• 4.3.1 引言60
• 4.3.2 Mo_2C@NCNT的SEM图60-61
• 4.3.3 Mo_2C@NCNT的TEM图61-62
• 4.3.4 Mo_2C@NCNT的XRD图62-63
• 4.3.5 Mo_2C@NCNT的LSV图63
• 4.3.6 小结63-64
• 4.4 高温热解法拓展—Co@CN_x电催化剂64-74
• 4.4.1 Co@CN_x的制备64-65
• 4.4.2 Co@CN_x的场发射扫描电子显微镜（SEM）65-68
• 4.4.3 Co@CN_x的场发射透射电子显微镜（TEM）68-69
• 4.4.4 Co@CN_x的XRD图69-71
• 4.4.5 Co@CN_x的催化析氢性能71-73
• 4.4.6 小结73-74
• 第五章 其它相关工作74-79
• 5.1 引言74
• 5.2 CN_x的制备方法74-75
• 5.3 实验结果与讨论75-78
• 5.3.1 场发射扫描电子显微镜（SEM）75-76
• 5.3.2 X射线衍射分析（XRD）76
• 5.3.3 线性扫描伏安法（LSV）76-78
• 5.4 本章小结78-79
• 全文总结与工作展望79-81
• 参考文献81-93
• 读研期间发表的论文93-94
• 致谢94

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本文编号：1018851