基于金属草酸盐构筑高效电催化剂及其电催化分解水性能研究

发布时间：2017-08-09 16:02

  本文关键词：基于金属草酸盐构筑高效电催化剂及其电催化分解水性能研究

  更多相关文章： 草酸钴 草酸镍钴固溶体 磷化钴 析氧反应 析氢反应

【摘要】：能源与环境成为困扰当前人类社会可持续发展的难题。发展清洁、绿色、可持续的新能源一直是人们研究的热点。水是地球上存在最广泛的物质,近些年来电解水制氢备受关注,它有望缓解能源问题和化石燃料燃烧的污染问题。电解水的瓶颈在于析氧反应过程缓慢,过电位相对高,使电解水能耗偏高效率低下。贵金属电催化剂能够提高反应效率,但是其高昂的成本限制了其大规模应用。因此研究主要集中在提高非贵金属电催化剂的活性,降低电解水的过电位和获得理想的阴阳极电流密度。事实上,近期研究表明过渡金属元素催化剂具有与贵金属催化剂相媲美的催化活性。本论文旨在合成一类基于过渡金属草酸盐的廉价、高效电催化材料,研究此类电催化剂材料在不同介质中的电催化分解水行为,并讨论电催化过程的机理。主要内容有:1、利用简单的溶剂热法合成了草酸钴电催化材料。通过合理调整溶剂的组成可以容易地控制草酸钴的形貌。水相有利于生成草酸钴微米多面体,而草酸钴微米棒在乙二醇溶剂中易于得到。两种草酸钴电催化剂在碱性介质中表现出不同的析氧活性,它们的析氧活性与其比表面积和本征电化学活性位密切相关。通过拉曼光谱和X-射线光电子能谱揭示了草酸钴电催化材料的析氧机理,在析氧过程中产生高价态钴是电催化性能提高的主要原因。2、利用上述相似的合成方法,制备了草酸镍钴固溶体型电催化剂。这种草酸镍钴固溶体沿袭了草酸钴的形貌,其表面形貌主要受溶剂决定。使用X-射线衍射、扫描电镜和红外光谱等手段表征了草酸镍钴固溶体催化剂的结构、形貌特征。在这一系列电催化剂中,草酸镍几乎没有析氧性能,而随着钴引入量的增加,电流密度逐渐增大。值得注意的是,草酸镍钴固溶体的电流密度相较于单一草酸镍和单一草酸钴有很大的提高,而其过电位相对也较低。恒电压计时电流测试结果表明草酸镍钴固溶体在碱液中具有稳定的析氧活性。3、以草酸钴微米多面体为前驱体,通过低温磷化处理得到一系列磷化钴(Co2P)电催化材料。与前驱体不同的是,磷化钴表现出一种形貌均匀的纳米棒结构。实验结果表明磷化温度和次磷酸钠用量能够影响Co2P的电催化性能。Co2P电催化剂在酸性介质中展现了优异的析氢活性。同时还在碱性介质中测试了Co2P电催化剂全解水的活性,Co2P的析氢活性和析氧活性都展现了优异的性能。恒电压计时电流和恒电流计时电位测试结果表明了Co2P电催化材料的稳定的析氢活性和析氧活性。
【关键词】：草酸钴 草酸镍钴固溶体 磷化钴 析氧反应 析氢反应
【学位授予单位】：西华师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 前言9-10
• 1.2 析氢电极材料的研究现状10-13
• 1.2.1 磷化物10-11
• 1.2.2 硫化物11-12
• 1.2.3 硒化物12-13
• 1.3 析氧电极材料的研究现状13-15
• 1.3.1 Co基催化剂13-15
• 1.3.2 Ni基催化剂15
• 1.4 电催化剂的制备方法15-18
• 1.4.1 水热/溶剂热法15-16
• 1.4.2 沉淀法16-17
• 1.4.3 电化学沉积法17
• 1.4.4 模板合成法17-18
• 1.5 本论文的研究内容及意义18-20
• 第2章 高效、廉价微米结构草酸钴电催化剂的合成及其电催化析氧性能研究20-33
• 2.1 前言20-21
• 2.2 实验部分21-22
• 2.2.1 实验试剂21
• 2.2.2 实验仪器21
• 2.2.3 电催化剂的制备21
• 2.2.4 催化剂电极的制备21-22
• 2.2.5 催化剂的电化学性能测试22
• 2.2.6 电催化剂的表征22
• 2.3 结果与讨论22-32
• 2.3.1 形貌分析22-24
• 2.3.2 物相结构分析24-25
• 2.3.3 电催化剂性能分析25-28
• 2.3.4 催化剂析氧机理分析28-32
• 2.4 结论32-33
• 第3章 草酸镍钴固溶体型电催化剂的合成及其电催化析氧性能研究33-43
• 3.1 前言33
• 3.2 实验部分33-35
• 3.2.1 实验试剂33-34
• 3.2.2 实验仪器34
• 3.2.3 电催化剂的制备34-35
• 3.2.4 催化剂电极的制备35
• 3.2.5 催化剂的电化学性能测试35
• 3.2.6 电催化剂的表征35
• 3.3 结果与讨论35-42
• 3.3.1 形貌及能谱分析35-37
• 3.3.2 物相结构分析37-38
• 3.3.3 红外光谱分析38
• 3.3.4 电化学性能分析38-40
• 3.3.5 析氧机理研究40-42
• 3.4 结论42-43
• 第4章 草酸钴衍生的Co_2P纳米棒作为全分解水型电催化剂43-56
• 4.1 前言43
• 4.2 实验部分43-45
• 4.2.1 实验试剂43-44
• 4.2.2 实验仪器44
• 4.2.3 电催化剂的制备44
• 4.2.4 催化剂电极的制备44-45
• 4.2.5 催化剂的电化学性能测试45
• 4.2.6 电催化剂的表征45
• 4.3 结果与讨论45-55
• 4.3.1 物相结构分析45-46
• 4.3.2 形貌及能谱分析46-48
• 4.3.3 组成分析48-49
• 4.3.4 电化学性能测试分析49-55
• 4.4 结论55-56
• 第5章 全文总结与展望56-58
• 5.1 结论56
• 5.2 存在的问题与展望56-58
• 参考文献58-70
• 致谢70-73
• 攻读硕士期间发表的论文73

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