基于普鲁士蓝类配合物的水氧化电催化剂的制备与性能研究

发布时间：2017-09-26 11:29

  本文关键词：基于普鲁士蓝类配合物的水氧化电催化剂的制备与性能研究

  更多相关文章： 水氧化反应 电催化剂 普鲁士蓝类配合物 金属氧化物 催化活性

【摘要】：水氧化反应(WOR)是水分解制氢的控制步骤,其缓慢的动力学是阻碍可再生能源转化为氢能的主要因素之一。为降低WOR的过电位,大量的研究致力于开发高效的电催化剂。在过去几十年里,研究发现除贵金属催化剂外,含过渡金属Co、Ni、Mn、Fe或Cu等元素的化合物对WOR有可观的电催化活性。要实现催化剂的现实应用,除高催化活性外,还应考虑催化剂的制备成本、工艺条件及稳定性等。因此,本论文旨在寻找一种操作简单、条件温和的合成方法制备系列具有高WOR催化活性的过渡金属化合物催化剂。本文以过渡金属盐、K3[Fe(CN)6]和K3[Co(CN)6]为原料,通过二价金属离子与[M'(CN)6]3离子在水溶液中的自组装作用合成了系列M3[Fe(CN)6]2(M-Fe,M=Co、Ni、 CoNi)和M3[Co(CN)6]2(M-Co,M=Co、Ni、Fe、Mn、Zn、Cu)普鲁士蓝类配合物(PBA),并经后续热处理制备混合金属氧化物。采用TGA、XRD、FTIR、SEM、EDS与XPS等表征手段分析了热分解过程中不同样品的组成、结构、形貌和价态的变化,从而系统研究不同退火温度对产物物理化学状态的影响。结果显示,PBA的热分解包括分子内结晶水的蒸发和元素氧化两个过程,氧化温度在300℃左右,产物为MO/MFe2O4(或MCo2O4)混合物。研究过程中,分别采用循环伏安法(CV)和计时电流法评估催化剂的水氧化电催化活性和稳定性。结果表明,Ni、Fe、Co-Co、Ni-Co与Cu-Co样品对WOR有较高催化活性,其中,Cu-Co PBA经300℃退火处理后催化活性最好,在中性条件下电流密度1 mA/cm2时的过电位为395 mV,碱性条件下电流密度达到10mA/cm2时的过电位为477 mV(0.1 M KOH)和379 mV(1 MKOH)。同时,采用CV法测量了催化电极的双电层电容并计算电极的电化学活性表面积(ECSA),实现了样品催化活性的基准化。此外,通过Tafel分析和电化学阻抗谱(EIS)分析,探讨了催化剂在碱性条件下的催化机理和动力学,从而解释催化剂活性变化的规律。
【关键词】：水氧化反应 电催化剂 普鲁士蓝类配合物 金属氧化物 催化活性
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 绪论7-21
• 1.1 引言7-9
• 1.2 WOR电催化反应9-10
• 1.3 WOR反应机理10-11
• 1.4 WOR电催化剂11-19
• 1.4.1 金属氧化物11-18
• 1.4.2 普鲁士蓝类配合物(PBA)18-19
• 1.5 研究内容19-20
• 1.6 技术路线与研究思路20
• 1.7 创新点20-21
• 第2章 实验材料及测试技术21-27
• 2.1 实验试剂与仪器21
• 2.1.1 主要实验试剂21
• 2.1.2 主要实验仪器21
• 2.2 样品表征21-24
• 2.2.1 X射线粉末衍射(XRD)22
• 2.2.2 扫描电子显微镜/X射线能谱仪(SEM/EDS)22-23
• 2.2.3 傅立叶变换红外光谱技术(FTIR)23
• 2.2.5 热重分析(TGA)23-24
• 2.2.6 X射线光电子能谱分析(XPS)24
• 2.3 电化学测试24-27
• 2.3.1 循环伏安法25
• 2.3.2 Tafel分析25
• 2.3.3 ECSA测定25-26
• 2.3.4 交流阻抗法26
• 2.3.5 计时电流法26-27
• 第3章 M-Fe(M=Co、Ni、CoNi)PBA及氧化物的制备与电催化性能27-40
• 3.1 引言27-28
• 3.2 实验部分28-29
• 3.2.1 实验原理28
• 3.2.2 M-Fe PBA及氧化物的制备28-29
• 3.2.3 M-Fe PBA(M=Co、Ni、CoNi)及氧化物电极的制作29
• 3.3 结果与讨论29-39
• 3.3.1 M-Fe PBA(M=Co、Ni、CoNi)及其退火样品的物理表征29-34
• 3.3.2 M-Fe(M=Co、Ni、CoNi)PBA与氧化物的WOR催化性能评价34-39
• 3.4 小结39-40
• 第4章 M-Co(M=Co、Ni、Fe、Mn、Zn、Cu)PBA及氧化物的制备与电催化性能40-61
• 4.1 引言40-41
• 4.2 实验部分41-42
• 4.2.1 M-Co(M=Co、Ni、Fe、Mn、Zn、Cu)PBA与氧化物的合成41
• 4.2.2 M-Co(M=Co、Ni、Fe、Mn、Zn、Cu)PBA与氧化物电极的制作41-42
• 4.3 结果与讨论42-59
• 4.3.1 M-Co(M=Co、Ni、Cu)PBA与氧化物的物理表征42-45
• 4.3.2 M-Co(M=Co、Ni、Fe、Mn、Zn、Cu)PBA与氧化物的WOR电催化性能45-59
• 4.4 小结59-61
• 第5章 结论与展望61-63
• 5.1 结论61
• 5.2 后续工作展望61-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-76
• 攻读硕士期间发表的论文及科研成果76

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本文编号：923254