电化学析氢反应催化剂设计、制备及性能研究

发布时间：2017-09-13 03:01

  本文关键词：电化学析氢反应催化剂设计、制备及性能研究

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【摘要】：随着全球经济的发展,化石燃料逐渐枯竭,同时化石燃料燃烧会带来的空气污染等环境问题,迫使人们需要寻找清洁可再生的太阳能、风能、生物能和氢能等新能源。在这些新能源中,氢气由于其来源广泛,燃烧产物为无污染的水,同时单位质量的氢气产生的能量较其他能源大,能量利用率高,因此受到了人们的广泛关注。但是电解水产生氢气,动力学过程缓慢,往往需要很高的过电位,因而需要寻找到一种高效的相对廉价的析氢反应(HER)催化剂以降低其电解过程中需要的高能量消耗,实现高效地电解水反应。目前,铂族金属是最好的HER电化学催化剂,但是它们的稀有性、高成本也使其难以大规模推广使用。在其他非贵金属催化剂中,钼基化合物包括二硫化钼,硒化钼,碳化钼,硼化钼和氮化钼等在过去几年中引起人们广泛关注。同时一些过渡金属磷化物和碳纳米管的复合物包括CoP/CNT,Ni_2P,NiP_2等对HER也具有良好的催化效果。寻找高效的析氢催化剂,开发利用氢气能源已经成为未来能源领域的重要内容。一个完整的水裂解过程可以分为水氧化(1)和析氢(2)两个部分:2H_2O→O_2+2H_2(总反应)2H_2O →O_2+4H~++4e~-(1)4H~++4e~-→2H_2(2)许多水裂解的过程往往依赖于最后一步HER。析氢的第一步是氢离子与电子的结合反应,即H~++e~-+*→H*。*表示氢表面上的结合位点。第二步是通过一个或两个过程中氢气分子的释放,即2H*→H_2+2*或者H~++e~-+H*→H_2+*,如铂催化剂可以温和地吸附氢并需要很少的反应活化能将氢气从表面脱附,水电解析氢的过电位几乎为零,因此析氢过程的研究对于开发氢能具有十分重要的意义。二硫化钼,自然界中十分典型的层状矿物,通常被证明是加氢脱硫反应的催化剂,最近几年成为是HER催化剂中的“明星分子”,通过计算和实验结果证明二硫化钼对析氢结果的催化作用主要取决于二硫化钼边缘的硫,而它的平面的原子对HER没有明显的催化作用。所以,对HER来说,通常纳米级的二硫化钼比大块的二硫化钼具有更高的活性。碳纳米材料,其中,碳纳米管,由于其独特的电子传导能力,生物相容性,易功能化等物理和化学性能,经常被应用到纳米电子学、催化、材料科学和生物学等各个研究领域,在能源的催化实验方面也经常被用来负载不易附着在电极上的催化剂,同时能在很大程度上提高催化剂的电子传导能力和催化性能。桑叶,一种桑科植物,通过热解植物组织制备微纳米材料,是一种方便、廉价、可大规模制备催化剂的方法。可以预期,高温碳化后的桑叶也是一种特殊结构的碳材料,结合其他的电化学处理手段制备具有良好的HER催化活性的催化剂,在能源的利用方面相信具有很大的应用前景。本文以“明星分子”二硫化钼和新型的碳材料——氨基化多壁碳纳米管结合作为电极材料,构建了相关的电化学催化剂,用于氢能源的催化剂。具体概述如下:1.研究了二硫化钼(Molybdenum disulfide)在氨基化多壁碳纳米管修饰电极上的直接电化学行为,考察了其对氢气催化还原的性能。氨基化多壁碳纳米管:MoS_2为0.25:1的复合物表现出很好的电催化活性,起始电位达-260 mV,塔菲尔斜率达65 mV/dec,同时该复合材料在酸性溶液中2000圈电化学处理后表现出更好的电化学析氢催化性能。2.制备了真空烧后的桑叶产物通过酸性溶液里的电化学处理后,探究其对H_2的析出具有优良的电催化性能。基于此研制出析氢催化剂,该催化剂在氢气析出过程中起始电位为50 mV,tafel曲线96 mV/dec,在10和20 mAcm~(-2)的电流密度下仅仅需要过电势275 mV and 321 mV,在酸性溶液里四个小时的电化学处理过程中都能维持其良好的催化活性。3.基于仅仅碳纳米管材料,包括单壁碳纳米管,多壁碳纳米管,氨基化多壁碳纳米管以及石墨烯等对H_2析出的催化性能,制备了HER催化剂,通过观察其起始电位,tafel曲线,探究其对氢气析出的催化作用。
【关键词】：HER 二硫化钼 氨基化多壁碳纳米管 桑叶 电化学处理
【学位授予单位】：安徽师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.氢能源概述12-13
• 2.析氢电极材料概述13-14
• 3.常见析氢材料的特点及其应用14-18
• 3.1 铂族金属14-15
• 3.2 铜副族元素15-16
• 3.3 过渡金属铁、钴、镍16
• 3.4 过渡金属二硫属化物（MX_2）16-17
• 3.5 碳材料17-18
• 4.本论文的选题依据及研究内容18-19
• 4.1 本论文的选题依据18-19
• 4.2 本论文的研究内容19
• 5.参考文献19-28
• 第二章 氨基化多壁碳纳米管MoS_2纳米颗粒复合物电化学催化HER28-42
• 1.引言28-29
• 2.实验部分29-30
• 2.1 仪器与试剂29-30
• 2.2 氨基化多壁碳纳米管-二硫化钼的合成30
• 2.3 修饰电极的制备30
• 3.结果与讨论30-35
• 3.1 样品的形态表征30-31
• 3.2 氨基化多壁碳纳米管-二硫化钼复合材料对HER的催化作用31-32
• 3.3 析氢tafel曲线研究32-33
• 3.4 不同材料的阻抗研究33-34
• 3.5 氨基化多壁碳纳米管-MoS_2的循环稳定性研究34-35
• 4.结论35
• 5.参考文献35-42
• 第三章 高温热解桑叶制备氮掺杂的蜂窝状碳纳米材料制备HER催化剂42-59
• 1.引言42-43
• 2.实验部分43-44
• 2.1 仪器与试剂43
• 2.2 N-CNPSs的合成43
• 2.3 修饰电极的制备43-44
• 3.结果与讨论44-51
• 3.1 桑叶的形态，N-CNPSs和N-CNPSs-ET44-47
• 3.2 析氢电化学特性47-50
• 3.3 N-CNPSs的红外及拉曼分析50-51
• 4.结论51
• 5.参考文献51-59
• 第四章 电化学处理影响碳纳米材料电化学HER性能探索59-71
• 1.引言59-60
• 2.实验部分60-61
• 2.1 仪器与试剂60
• 2.2 碳纳米管等碳纳米材料分散液的制备60-61
• 2.3 修饰电极的制备61
• 3.结果与讨论61-64
• 3.1 析氢电化学特性61-64
• 4.结论64-65
• 5.参考文献65-71
• 攻读硕士学位期间（待）发表的论文71-72
• 致谢72

【参考文献】

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本文编号：841112