新型杂合纳米结构的可控合成及其电催化性能研究

发布时间：2021-02-28 20:24

　　全球性的能源危机和环境污染使得可再生新能源的开发、存储和转换成为人们研究的热点。氢能具有能量密度高、清洁无污染等优点,氨具有比氢能更高的能量密度和易液化等优点,都是理想的二次能源。电解水和可再生氢氧燃料电池工艺可以实现氢能与电能的高效生产、存储与转换,电催化氮气还原技术可以实现氨气的低能耗绿色生产,具有良好的发展前景。除了工程问题外,高性能、廉价电催化剂的开发对于降低电解水阴极氢气析出反应（HER）的过电位、加速其阳极氧气析出反应（OER）及燃料电池正极氧气还原反应（ORR）的动力学、提高氮气还原反应（NRR）的产率和选择性至关重要。尽管贵金属催化剂如Pt、Ru、Ru O₂、Ir O₂等能够显著提升这些反应的活性,但高昂的使用成本和有限的循环稳定性限制了其广泛应用。杂合结构纳米材料通过集成具有不同本征特性的组成组分,不仅可以降低贵金属用量,还可以继承这些组分的优点,并在其界面处产生特殊的缺陷或电子相互作用,从而优化杂合纳米材料的电催化剂特性。鉴于当前研究现状,本论文以改善电催化性能并逐步降低催化剂成本为宗旨,通过杂化具有不同本征特性的多种金属... 

【文章来源】：南京师范大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：162 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

氢能的生产、存储与转换过程示意图

第1章绪论3图1.2电解水和可再生氢氧燃料电池的工作原理示意图图1.3电催化氮气还原装置示意图在纳米电催化领域中，界面工程因其可操作性强、设计思路清晰等优点而受到广泛关注。众所周知，不同组分具有不同的物相结构和物化性质，杂合结构通过融合不同组分，可以在其界面处产生大量缺陷，或强电子相互作用，导致电子的重新排布，进而优化催化剂的电导率、d带中心或电化学反应中间体的吸附能等，促进反应的进行[5,6]。例如Chauhan等人[7]设计合成了一种Pt-CeOx纳米线催化剂，系列光谱、电镜表征发现Pt/CeOx异质界面处同时存在Frenkel缺陷簇和Schottky缺陷簇，二者可以协同作用共同促进ORR进程，最终实现在5%Pt载量的条件下展现出与商用20%Pt/C催化剂相当的ORR催化性能。此外，杂合结构中的不同组分具有不同的本征特

率，而且可以降低设备运行成本。杂合纳米结构催化剂可以实现电催化性能和低贵金属用量的‘双赢’，因此具有很好的发展前景。此外，一些特殊形貌、结构的单组分催化剂，如合金、核壳、多面体、无定形以及单原子催化剂等也具有优良的电催化性能。根据贵金属用量的多少，这些催化剂可以分为低贵金属含量催化剂，和非贵金属催化剂。前者多用于电催化ORR领域，后者多用于OER催化领域，HER和NRR领域中则二者兼有。因此根据催化剂开发成本的高低，本论文将依次介绍不同类型电催化剂的优缺点及其在ORR、HER、OER、NRR领域的应用。图1.4Ni(OH)2/Pt(111)杂合纳米结构HER过程示意图，主要包括表面水解离、形成M-Had中间体、Had复合形成H2以及OH-从Ni(OH)2表面脱附然后再吸附下一个水分子的过程


本文编号：3056408