三维多孔Ni基金属纳米电极的制备与电催化性能的研究

发布时间：2017-07-27 01:13

  本文关键词：三维多孔Ni基金属纳米电极的制备与电催化性能的研究

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【摘要】：化石能源的有限使用和环境恶化的日益加剧使得开发清洁的、可再生的新型能源和储能设备成为当务之急。氢气能源和燃料电池因能量密度高、无污染、可持续利用等优点而被认为是化石燃料较为理想可行的替代品。当前,开发高效、稳定、廉价的电解水制氢和燃料电池的电催化剂以及电极材料已成为研究热点。而三维多孔结构是高效电极较为理想的形貌。基于此,本课题设计了一系列兼具大孔和小孔的三维多孔廉价Ni基金属纳米电极材料,大孔可提高传质效率,小孔增大表面积、提高表面活性原子含量。而且,通过对超疏气镍纳米花电极、超薄金属镍纳米片阵列电极以及超薄镍-钴合金纳米片阵列电极的逐一设计,实现了对电极材料结构的改进以及组分的调控。并进行了水合肼电氧化反应和电解水析氢性能测试,性能优异。具体研究内容和实验结论如下：1、通过在泡沫镍基底上水热合成Ni(OH)2纳米片阵列,再经溶剂热还原制备出了三维多孔金属镍纳米花电极材料。镍纳米花的尺寸较为均一,结晶性良好。纳米花之间以及花片之间具有很多小孔,再结合泡沫镍基底本身的大孔,形成了大孔中有小孔的三维多孔结构。同时,三维多孔镍纳米花电极材料具有超疏气的表面,对气泡具有超低的粘附力,生成的气泡能够迅速地脱离电极表面,及时暴露出更多的活性位点。相比于目前商业上使用的Pt/C催化剂,三维多孔镍纳米花电极材料具有更高的水合肼氧化和电解水制氢(HER)的催化活性以及更高的稳定性。同时,本实验也为非贵金属纳米结构的可控设计开辟了新的途径。2、通过对生长在泡沫镍基底上的Ni(OH)2纳米片阵列进行缓慢温和的溶剂热还原后,制备出三维多孔超薄镍纳米片阵列电极。制备的金属镍纳米片具有单晶的层状结构,表面暴露(111)晶面,且厚度仅为2.2 nm。因为采用了缓慢的动力学转换过程,氢氧化镍阵列的多孔结构被保存下来。镍纳米片阵列表面极为粗糙,对气泡几乎没有粘附力,表现出了超疏气的特性。同时,因具有大量的表面活性原子和良好的单晶结构,三维多孔超薄镍纳米片阵列比目前商用Pt/C催化剂具有更高的水合肼氧化(HzOR)催化活性。又因具有可调控的表面状态,在经过部分氧化以后,镍/氧化镍纳米片阵列可作为高效的电解水析氢(HER)和电解水析氧(OER)催化剂。据我们所知,单晶镍纳米片是超薄非贵金属纳米片的首次报道,可为非贵金属纳米片的制备提供一种简单可行的方法。3、通过拓扑化学转换/还原氢氧化镍钴纳米片阵列的方法,制备出了三维多孔超薄镍-钴合金纳米片阵列。镍-钴合金纳米片为(fcc)型单晶结构,且镍元素和钴元素可均匀分布在纳米片中。对不同摩尔比的镍钴合金纳米片进行水合肼氧化性能测试,其中Ni0.6Co0.4合金纳米片阵列表现出了最高的水合肼氧化催化活性,而且比镍纳米片阵列和商用Pt/C催化剂的过电位更低和电流增长速度更快。当进行水合肼/双氧水燃料电池测试时,以Ni0.6Co0.4合金纳米片阵列作为阳极的电池比以镍纳米片阵列和商用Pt/C催化剂时具有更高的开路电压和更大的功率密度。据我们所知,本实验将为单晶非贵金属合金纳米片的首次报道。同时,为超薄非贵金属合金纳米片的制备提供一种简单可行的方法。
【关键词】：燃料电池 电解水析氢 水合肼氧化反应 三维多孔 超薄金属纳米片
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 课题研究背景14-15
• 1.2 水合肼电氧化反应15-17
• 1.2.1 水合肼电氧化反应原理15-16
• 1.2.2 水合肼电氧化反应催化剂16-17
• 1.3 电解水析氢反应17-21
• 1.3.1 电解水析氢反应原理17-18
• 1.3.2 电解水析氢反应催化剂18-21
• 1.4 多孔纳米电极材料21-25
• 1.4.1 多孔金属纳米电极材料21-23
• 1.4.2 多孔非金属纳米电极材料23-25
• 1.5 本课题的研究意义和研究内容25-28
• 第二章 三维多孔金属镍纳米花超疏气电极的制备及其电催化性能的研究28-42
• 2.1 引言28-29
• 2.2 实验部分29-32
• 2.2.1 实验试剂29
• 2.2.2 实验仪器29-30
• 2.2.3 实验方法30-32
• 2.2.3.1 金属镍纳米花电极材料的合成方法30-31
• 2.2.3.2 金属镍纳米花电极材料的结构表征方法31
• 2.2.3.3 金属镍纳米花电极材料的气泡粘附力表征方法31-32
• 2.2.3.4 金属镍纳米花电极材料的电催化性能测试方法32
• 2.3 实验结果与讨论32-39
• 2.3.1 镍纳米花电极材料的结构表征与分析32-35
• 2.3.2 镍纳米花电极材料的疏气性能表征与分析35
• 2.3.3 镍纳米花电极材料的电催化性能测试与分析35-39
• 2.3.3.1 水合肼氧化性能测试与分析35-38
• 2.3.3.2 HER性能测试与分析38-39
• 2.4 本章小结39-42
• 第三章 三维多孔超薄金属镍纳米片阵列电极的制备及其电催化性能的研究42-58
• 3.1 引言42-43
• 3.2 实验部分43-46
• 3.2.1 实验试剂43
• 3.2.2 实验仪器43-44
• 3.2.3 实验方法44-46
• 3.2.3.1 超薄金属镍纳米片阵列电极的制备方法44-45
• 3.2.3.2 超薄金属镍纳米片阵列电极的结构表征方法45
• 3.2.3.3 超薄金属镍纳米片阵列电极的电催化性能测试方法45-46
• 3.3 实验结果与讨论46-57
• 3.3.1 超薄金属镍纳米片阵列的结构表征与分析46-51
• 3.3.2 超薄金属镍纳米片阵列的电催化性能测试与分析51-57
• 3.3.2.1 水合肼电氧化性能测试与分析51-53
• 3.3.2.2 HER性能测试与分析53-55
• 3.3.2.3 OER性能测试与分析55-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第四章 三维多孔镍-钴合金纳米片阵列电极的制备及其电化学性能的研究58-76
• 4.1 引言58-59
• 4.2 实验部分59-62
• 4.2.1 实验试剂59-60
• 4.2.2 实验仪器60
• 4.2.3 实验方法60-62
• 4.2.3.1 镍-钴合金纳米片阵列电极的制备方法60-61
• 4.2.3.2 镍-钴合金纳米片阵列电极的结构表征方法61
• 4.2.3.3 镍-钴合金纳米片阵列电极的电化学测试方法61-62
• 4.3 实验结果与讨论62-73
• 4.3.1 镍-钴合金纳米片阵列的结构表征与分析62-68
• 4.3.2 镍-钴合金纳米片阵列的电化学性能测试与分析68-73
• 4.3.2.1 水合肼电氧化性能测试与分析68-71
• 4.3.2.2 水合肼燃料电池性能测试与分析71-73
• 4.4 本章小结73-76
• 第五章 结论76-78
• 参考文献78-86
• 致谢86-88
• 研究成果和发表的学术论文88-90
• 作者及导师简介90-91
• 北京化工大学专业学位硕士研究生学位论文答辩委员会决议书91-92

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