几种过渡金属催化剂的制备及析氧性能研究

发布时间：2017-09-04 03:11

  本文关键词：几种过渡金属催化剂的制备及析氧性能研究

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【摘要】：本文基于Ni、Co和Fe基过渡金属阳极析氧催化剂,构建了CoFe_2O_4-CNTs、NiS@N/S-C和Ni_3N@C三种阳极析氧材料,主要目的是为了降低阳极析氧过电位,减少在电解水过程中的能耗,提高能量转换效率。CNTs和原位生成的碳,在催化剂中起到载体、加速电子运输以及保护纳米颗粒的作用,增加水分解析氧反应的动力学速度,提高催化剂的稳定性。同时,N、S杂原子的引入对碳载体的吸电子基/供电子基能力起到调控作用,改善催化剂的导电性能,从而增强材料的析氧电催化活性。通过不同的表征手段对这三种阳极析氧材料的形貌、结构和组成进行了表征,并在电化学工作站上采用三电极体系测定了这三种阳极析氧材料的电化学性能。主要研究内容如下:(1)通过水热法将CoFe_2O_4负载到CNTs的表面,得到了CoFe_2O_4-CNTs纳米复合材料。结果表明:尖晶石CoFe_2O_4纳米颗粒被均匀分散在CNTs表面;为了验证CNTs的作用,我们用TG测试了CNTs的含量为40.2%。在1 M KOH电解液中,对CoFe_2O_4-CNTs纳米复合材料的析氧活性与稳定性进行了测试。结果表明,CoFe_2O_4-CNTs纳米材料显示了良好的催化活性,起始电位在1.57 V,CNTs的加入能够提高CoFe_2O_4纳米颗粒的电流密度和催化活性。在10 mA cm-2电流密度下经过11小时稳定性测试之后,活性并没有发生明显变化,说明催化剂稳定性良好。(2)首先,采用回流法制备了含N、S原子的Ni基配合物,然后在NH3气氛下高温热解得到NiS@N/S-C纳米复合结构。结果表明:NiS纳米颗粒被均匀分散在原位生成的碳基底上;同时能够将N、S原子掺杂到碳基底上,通过对碳进行结构和电子改性来提升催化剂的活性。在1 M KOH电解液中对NiS@N/S-C纳米复合材料的催化活性与稳定性进行了测试。实验结果表明,NiS@N/S-C纳米复合材料展示出了良好的催化活性,起始电位在1.54 V。在10 mA cm-2电流密度下经过10小时稳定性测试之后,催化剂活性没有发生明显变化。(3)采用一步热解法制备了Ni_3N@C纳米复合材料。结果表明:Ni_3N纳米颗粒分散性较好,且大小均一,直径在200 nm左右,Ni_3N表面包覆了一层薄薄的碳层;通过mapping验证了原位生成的碳层分布均一;碳包覆层能传导电子,并且起到保护Ni_3N,提高催化剂稳定性的作用。在1 M KOH电解液中对NiS@N/S-C纳米复合材料的活性与稳定性进行了测试。结果显示,Ni_3N@C具有很好的析氧催化活性,起始电位在1.53 V,电流密度也较高。在10 mA cm-2电流密度下经过10小时稳定性测试之后,活性能够很好的保持。
【关键词】：钴铁氧化物 硫化镍 氮化镍 电催化 析氧反应
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;O643.36
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 文献综述10-20
• 引言10
• 1.1 电解水制氢技术10-11
• 1.2 碱性电解水存在的主要问题11-13
• 1.3 阳极析氧电极材料的研究现状13-17
• 1.3.1 贵金属及其氧化物13-14
• 1.3.2 过渡金属及其合金材料14
• 1.3.3 钙钛矿型氧化物14-15
• 1.3.4 尖晶石型氧化物15-16
• 1.3.5 过渡金属硫化物16
• 1.3.6 过渡金属氮化物16
• 1.3.7 纳米碳材料16-17
• 1.4 析氧电极制备工艺17-18
• 1.4.1 涂覆法17
• 1.4.2 浸渍法17-18
• 1.4.3 电泳沉积法18
• 1.4.4 离子溅射法18
• 1.4.5 原位生长纳米电极18
• 1.5 立题依据和研究内容18-20
• 第二章 实验部分20-23
• 2.1 实验药品与仪器20
• 2.2 催化剂的表征20-21
• 2.2.1 X-射线衍射光谱（XRD）20-21
• 2.2.2 场发射扫描电子显微镜（FESEM）21
• 2.2.3 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）21
• 2.2.4 X-射线能谱仪（EDS）21
• 2.2.5 X-射线光电能谱（XPS）21
• 2.2.6 热重分析（TG）21
• 2.2.7 元素分析21
• 2.3 电化学测试21-23
• 第三章 CoFe_2O_4-CNTs纳米复合材料的制备和表征23-31
• 3.1 前言23-24
• 3.2 实验部分24-25
• 3.2.1 CNTs的纯化和酸化24
• 3.2.2 CoFe_2O_4催化剂的制备24
• 3.2.3 CoFe_2O_4-CNTs纳米复合材料的制备24-25
• 3.3 实验结果与讨论25-29
• 3.3.1 XRD图谱分析25-26
• 3.3.2 SEM和EDS分析26
• 3.3.3 TG分析26-27
• 3.3.4 电化学性能测试27-29
• 3.4 本章小结29-31
• 第四章 NiS@N/S-C纳米复合材料的制备和表征31-39
• 4.1 前言31
• 4.2 实验部分31-32
• 4.2.1 HL配体的合成31-32
• 4.2.2 NiL_2配合物的合成32
• 4.2.3 NiS@N/S-C和N/S-C复合催化剂的制备32
• 4.3 实验结果与讨论32-38
• 4.3.1 元素分析和TG分析32-33
• 4.3.2 XRD图谱分析33-34
• 4.3.3 SEM、EDS及TEM分析34-35
• 4.3.4 XPS分析35
• 4.3.5 电化学性能研究35-38
• 4.4 本章小结38-39
• 第五章 Ni_3N@C纳米复合材料的制备和表征39-46
• 5.1 前言39-40
• 5.2 实验部分40
• 5.3 实验结果与讨论40-45
• 5.3.1 XRD图谱分析40
• 5.3.2 SEM分析40-41
• 5.3.3 EDS图谱和元素映射分析41-42
• 5.3.4 TEM分析42-43
• 5.3.5 XPS分析43-44
• 5.3.6 电化学性能测试44-45
• 5.4 本章小结45-46
• 第六章 结论与展望46-48
• 6.1 结论46-47
• 6.2 展望47-48
• 参考文献48-58
• 致谢58-59
• 作者简介59-60
• 导师评阅表60

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本文编号：788990