水裂解体系阳极纳米材料的制备及其催化性能的研究

发布时间：2017-08-20 11:03

  本文关键词：水裂解体系阳极纳米材料的制备及其催化性能的研究

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【摘要】：世界能源市场主要依赖于化石燃料的供应。到本世纪末,全球能源需求量预计将会增至当今的三倍。由于它的不可再生性和其燃烧产物的污染性,使得寻找和发展新型的可再生清洁能源这一任务迫在眉睫。氢气是一种无毒无害、高天然丰度的可再生燃料,与其它碳氢燃料相比,每单位质量的氢具有更大的内能,且燃烧过程和产物对环境均无任何污染,因此它被视为最有潜力的传统燃料的替代者。风能和太阳能等作为自然界生而有之的一次能源,由于昼夜交替和气候变化所带来的不稳定性,会给能源系统引入不可预知的负载安全风险。因此,选择合适的途径将它们转换为二次能源——氢能,是至关重要的一步。(光)电解水制氢被认为是生产超纯氢气的环境友好型途径。就反应物而言,水的来源丰富易得;就产物而言,氢气燃烧后产生的水,又可作为裂解水产氢的反应物循环使用。可以说这一方法包含了最多的可持续步骤。本文致力于发展新的、简便的合成策略来制备(光)电解水制氢的高效阳极材料,通过先进的表征手段来探究它们的形貌并进行详细的元素分析。我们设计并完成了如下工作：(1)电解水制氢的过程中,阳极的氧析出反应(oxygen evolution reaction,OER)是动力学较为缓慢的步骤,因为该反应需要四电子参与,并涉及到O-H键的打破和O-O键的形成,它严重地限制了析氢效率的进一步提升。而作为具有优越催化性能的氧析出催化剂——Ir02和Ru02等,因其来源稀缺、价格昂贵及失活较快等因素限制了它们的实际应用。基于以上考虑,我们以储量丰富的过渡金属化合物作为研究对象,通过一种全新的简便合成策略,在室温下对乙酸Co基氢氧化物金属有机框架(acetate hydroxide metal-organic frameworks, AHMOFs)前驱物进行液相分解,制备了二维Co基氢氧化物超薄纳米片(hydroxide ultrathin nanosheets,HUNSs) 。分解过程无需额外的剥离剂参与,只需加入KOH水溶液使氢氧根取代MOFs上的醋酸根,而水分子和释放的醋酸根作为现成剥离剂进行原位插层剥离,通过充分的超声反应进而得到HUNSs。得益于该法较高的组分可控性和操作性,Co、CoZ n及CoNi HUNSs已被成功制得,其中,CoNi HUNSs展现出最高的氧析出反应催化活性,优于商业Ir02纳米颗粒,且其在1.58 V(vs.RHE)的恒电位下也具有最佳的催化氧析出反应的稳定性。(2)进一步地,我们通过引入可见光,完成光能到电能再到化学能(氢能)的转变,借此探究一次能源到二次能源的有效转换途径。我们设计了具有等离子体效应的纳米多孔金/CdS纳米异质结(NPG/CdS nano-heterojunction, NPG/CdS NHJ)作为光电化学析氢系统的光阳极材料。通过简单易控的原位自组装电化学合成法,在NPG薄膜表面恒电流沉积了以其骨架为导向生长而成的共形CdS纳米层。该NHJ是以高导电率且具有三维双连续多孔结构的NPG作为基底,为载流子提供高质量的传输通道,加之其内部发生着强烈的等离子体-激子相互耦合效应,可以说NPG/CdS NHJ是一个将宏观和微观性质进行有效结合的三维平台。经测试,发现它拥有优越的光学性能和较高的瞬时光电流。另外,由于NPG能捕获CdS价带上具有强氧化性的光生空穴来防止CdS被光腐蚀,使得该光阳极具有稳定的光电化学析氢性能。
【关键词】：Co基氢氧化物 超薄纳米片 氧析出反应 多孔金 光电化学析氢
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 符号说明12-14
• 第一章 绪论14-44
• 1.1 制氢体系的研究现状14-20
• 1.1.1 世界能源状况和开发氢能的必要性14-15
• 1.1.2 制氢技术15-20
• 1.2 电解水制氢阳极氧析出反应的研究现状20-26
• 1.2.1 电解水制氢阳极氧析出反应的机理20-21
• 1.2.2 电解水制氢阳极氧析出催化剂的研究现状21-26
• 1.3 光电解水制氢光阳极材料的研究现状26-31
• 1.4 本论文的研究目的和主要研究内容31-33
• 参考文献33-44
• 第二章 Co基氢氧化物二维超薄纳米片电解水阳极的制备及其对氧析出反应催化性能的研究44-64
• 2.1 引言44-45
• 2.2 实验部分45-48
• 2.2.1 实验试剂与表征仪器45-46
• 2.2.2 实验步骤46-48
• 2.3 结果与讨论48-57
• 2.4 本章小节57-58
• 参考文献58-64
• 第三章 多孔金/CdS三维共形纳米异质结光电解水柔性光阳极的制备及其对光电化学析氢反应催化性能的研究64-88
• 3.1 引言64-66
• 3.2 实验部分66-68
• 3.2.1 实验试剂与表征仪器66-67
• 3.2.2 实验步骤67-68
• 3.3 结果与讨论68-80
• 3.3.1 NPG/CdS NHJ光阳极的组装过程及其结构成分的表征68-73
• 3.3.2 NPG/CdS NHJ中等离子体一激子间的相互作用及对其PEC-HER催化活性的探究73-80
• 3.4 本章小节80-82
• 参考文献82-88
• 致谢88-90
• 攻读学位期间发表和待发表的学术论文目录90-91
• 学位论文阅及答辩情况表91

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本文编号：706216