贵金属修饰的硅纳米线用于电化学析氢研究

发布时间：2017-10-12 12:33

  本文关键词：贵金属修饰的硅纳米线用于电化学析氢研究

  更多相关文章： 贵金属 纳米颗粒 硅纳米线 析氢反应 催化

【摘要】：在当前的能源供应过程中,氢气是最有前途的清洁能源,并且具有环保、易存储和能量密度大等特点。电催化析氢反应现被视为是一种高效的、有发展前景的、并能有效的解决未来能源危机的方法之一,因此,设计出具有较高活性和低廉成本的析氢催化剂是必不可少的。其中,贵金属催化剂在电化学析氢反应中具有良好的催化效果。贵金属纳米颗粒的传统合成方法主要是化学液相还原法,反应过程中,加入了表面活性剂和还原剂等添加剂,同时还会伴随着纳米颗粒团聚现象。本论文中,利用氢氟酸处理硅线,表面形成具有还原能力的Si-H键,从而将溶液中贵金属还原在硅纳米线表面,得到贵金属(钌、铑、铂)修饰的硅纳米线复合物。另外,硅纳米线具有大的比表面积,而且能通过Si-H键紧密的负载金属纳米颗粒阻止纳米颗粒团聚等特点。本论文中旨在用硅纳米线负载贵金属(钌、铑、铂)制备出新型的电化学析氢催化剂,并提高其析氢反应效率,为电化学析氢实际应用奠定基础。论文主体主要包括以下三个部分:(1)利用Si-H键的还原能力将钌纳米颗粒原位还原在硅纳米线表面,得到均匀稳定的钌纳米颗粒修饰的硅纳米线复合物,利用X射线粉末衍射仪,扫描电镜,透射电镜进行表征分析。将制备出的钌纳米颗粒修饰的硅纳米线复合物应用于电化学析氢测试,用0.5 M硫酸溶液作为电解液,研究其电化学析氢能力。实验结果表明,钌纳米颗粒修饰的硅纳米线复合物表现出良好的电化学析氢性能,如低的起始过电位(110 mV)和大的电流密度,并且具有较好的稳定性,复合物的催化性能比纯钌颗粒的效果好。(2)以同样的方法合成了铑纳米颗粒修饰的硅纳米线复合物,将其应用于电化学析氢测试。实验结果表明,其具有优异的析氢性能,与铂的质量分数为40%的商业铂碳材料对比,铑的质量分数为29.1%的铑纳米颗粒修饰的硅纳米线复合物具有更低的Tafel斜率(24 mV/dec)和在高过电位区间具有大的电流密度,时间电流曲线测试结果表明其具有良好的稳定性。与此认为,复合物具有协同作用,即存在吸收位点和脱附位点,加速析氢反应的速率。并用密度泛函理论模拟计算证实我们的复合物分两个独立的表面和不同吸附能量位点的催化剂,计算结果还表明硅吸附羟基会中毒,随后羟基由硅表面位点转移到铑表面位点,实现脱附产生氢气,从而稳定了铑纳米颗粒修饰的硅纳米线复合物催化剂的性能。(3)铂是一种贵金属,化学性质很稳定,在空气中不易被氧化,并具有良好的催化效果。其中,铂在异构化、环化、氢化、脱氢、脱水、氧化、裂解等化学反应中均可作催化剂。用同样的方法合成出铂纳米颗粒修饰的硅纳米线复合物,并将其应用于电化学析氢测试,研究其电化学析氢性能。通过X射线粉末衍射仪表征,铂纳米颗粒修饰的硅纳米线复合物样品的XRD图谱出现的衍射峰,分别很好地对应上Pt的(111),(200),(220),(311)和(222)晶面和Si的(111),(311)晶面。从扫描电镜图可以清楚地观察到铂纳米颗粒均匀地长在硅纳米线上。铂纳米颗粒修饰的硅纳米线复合物析氢起始电位接近于0 V,Tafel斜率为26 mV/dec,经过1000圈的循环伏安稳定性测试,实验结果表明,其在酸性介质中稳定性比较好。
【关键词】：贵金属 纳米颗粒 硅纳米线 析氢反应 催化
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TQ116.2
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-34
• 1.1 引言11-12
• 1.2 析氢反应12-16
• 1.2.1 析氢反应的定义12
• 1.2.2 析氢反应的机理12-15
• 1.2.3 加氢处理15-16
• 1.2.4 析氢反应和加氢处理的关系16
• 1.3 析氢反应催化剂的研究进展16-24
• 1.3.1 过渡态金属氧化物16-19
• 1.3.2 纳米尺寸材料19-22
• 1.3.3 纳米金属材料22-24
• 1.4 本论文立题依据及研究内容24-25
• 1.4.1 立题依据24-25
• 1.4.2 研究内容25
• 参考文献25-34
• 第二章 用钌修饰硅纳米线作为析氢反应的电催化剂34-51
• 2.1 引言34-36
• 2.2 实验部分36-39
• 2.2.1 试剂和仪器36
• 2.2.2 合成硅纳米线和钌纳米颗粒修饰硅纳米线的复合物36-37
• 2.2.3 钌含量的半定量计算方法37-38
• 2.2.4 电化学测试38
• 2.2.5 析氢反应理论依据及计算38-39
• 2.3 结果与讨论39-46
• 2.3.1 钌修饰硅纳米线的复合物的结构表征39-42
• 2.3.2 钌修饰硅纳米线的复合物的电化学测试42-46
• 2.4 本章小结46-47
• 参考文献47-51
• 第三章 新颖设计概念的硅铑纳米复合材料电化学性能优于铂基材料51-71
• 3.1 引言51-52
• 3.2 实验部分52-54
• 3.2.1 试剂和仪器52-53
• 3.2.2 合成铑纳米颗粒修饰硅纳米线的复合物53
• 3.2.3 电化学测试53
• 3.2.4 模拟计算53-54
• 3.3 结果与讨论54-67
• 3.3.1 铑修饰硅纳米线的复合物结构表征54-56
• 3.3.2 铑修饰硅纳米线的复合物电化学测试56-61
• 3.3.3 协同析氢反应61-66
• 3.3.4 Rh/SiNW复合物催化剂在析氢反应中假设推导的机理66-67
• 3.4 本章小结67-68
• 参考文献68-71
• 第四章 用铂修饰硅纳米线作为析氢反应的电催化剂71-86
• 4.1 引言71-72
• 4.2 实验部分72-73
• 4.2.1 试剂和仪器72
• 4.2.2 合成铂纳米颗粒修饰硅纳米线的复合物72-73
• 4.2.3 电化学测试73
• 4.3 结果与讨论73-81
• 4.3.1 铂修饰硅纳米线的表征73-75
• 4.3.2 铂修饰硅纳米线的电化学测试75-81
• 4.4 本章小结81
• 参考文献81-86
• 第五章 结论与展望86-88
• 5.1 结论86-87
• 5.2 展望87-88
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的著作、论文88-89
• 致谢89-90

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;山西煤化所碳化硅纳米线研究取得新进展[J];人工晶体学报;2009年S1期

2 龚文莉;万丽娟;张健;;图形化硅纳米线阵列的制备[J];功能材料与器件学报;2009年06期

3 吴军;杨文彬;何方方;周元林;董发勤;;无电金属沉积法硅纳米线阵列的制备研究[J];功能材料;2011年02期

4 郑红梅;顾家祯;袁志山;;硅纳米线研究进展概述[J];广州化工;2012年08期

5 蒋玉荣;秦瑞平;蔡方敏;杨海刚;马恒;常方高;;硅纳米线阵列的制备及光伏性能[J];硅酸盐学报;2013年01期

6 高尚鹏,袁俊,罗俊,朱静;单根硅纳米线等离子激发色散关系的测量[J];电子显微学报;2002年05期

7 唐元洪,裴立宅;掺杂硅纳米线的光电特性[J];中国有色金属学报;2004年S1期

8 曾湘波,廖显伯,王博,刁宏伟,戴松涛,向贤碧,常秀兰,徐艳月,胡志华,郝会颖,孔光临;等离子体增强化学气相沉积法实现硅纳米线掺硼[J];物理学报;2004年12期

9 裴立宅,唐元洪,张勇,郭池,陈扬文;氧化物辅助生长硅纳米线[J];材料工程;2005年06期

10 裴立宅;;硅纳米线的制备技术[J];稀有金属快报;2007年06期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 易长青;戚穗坚;杨梦u&;;硅纳米线与细胞相互作用的研究[A];中国化学会第27届学术年会第03分会场摘要集[C];2010年

2 邢英杰;奚中和;薛增泉;俞大鹏;;用催化剂控制硅纳米线直径的研究[A];中国真空学会五届三次理事会暨学术会议论文集[C];2002年

3 杜伟强;黄陟峰;;硅纳米线阵列的制备和表征[A];中国化学会第27届学术年会第04分会场摘要集[C];2010年

4 穆丽璇;师文生;;基于硅纳米线的荧光化学逻辑开关[A];中国化学会第27届学术年会第04分会场摘要集[C];2010年

5 裴立宅;唐元洪;陈扬文;郭池;张勇;;硅纳米线的表征、性能及应用[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年

6 刘文平;宋达;李铁;李昕欣;王跃林;;集成硅纳米线制造技术及其电学性质研究[A];中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集（一）[C];2005年

7 高尚鹏;袁俊;罗俊;朱静;;单根硅纳米线等离子激发色散关系的测量[A];第十二届全国电子显微学会议论文集[C];2002年

8 黄陟峰;;多孔硅纳米线的制备及性能表征[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第33分会：纳米材料合成与组装[C];2014年

9 彭飞;苏媛媛;季晓媛;何耀;;基于硅纳米线的药物载体进行癌症治疗[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第35分会：纳米生物医学中的化学问题[C];2014年

10 赵建国;郭永;张素芳;王海青;;化学气相反应制备碳化硅纳米线[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（6）[C];2007年

中国重要报纸全文数据库 前4条

1 记者 马凌霜　通讯员 黄爱成;中山大学研制首张硅纳米线纸[N];广东科技报;2013年

2 记者 徐玢;美研发出新型硅纳米线电池[N];科技日报;2007年

3 尚力;美国成功研制太阳能防弹衣[N];中国纺织报;2010年

4 郭俊玲;“小尺度”展示大科学[N];中国教育报;2008年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张仁勤;外场作用下硅纳米线的能带结构及其作为光解水催化剂的应用[D];吉林大学;2011年

2 邹俊;用于光互连的基于硅纳米线波导的阵列波导光栅的研究[D];浙江大学;2015年

3 顾林;碳化硅纳米线及金属氧化物/氢氧化物复合材料在超级电容器中的应用研究[D];浙江大学;2015年

4 熊祖周;硅纳米线基复合结构的构筑及其光催化水分解性能研究[D];上海交通大学;2013年

5 于忠卫;硅纳米线生长调控及其在径向结薄膜太阳能电池中的应用[D];南京大学;2016年

6 王秀琴;纳米线太阳能电池结构、制造工艺及性能研究[D];江苏大学;2016年

7 方升;Ni/SiO_2及NiO/SiO_2复合多孔电极熔盐电解制备硅纳米线的研究[D];北京有色金属研究总院;2016年

8 万丽娟;硅纳米线阵列的制备及其在生化传感器中的应用[D];华东师范大学;2010年

9 穆丽璇;基于硅纳米线的光响应化学传感器研究[D];中国科学院研究生院（理化技术研究所）;2008年

10 朱美光;硅纳米线阵列的光谱特性与电学特性的研究[D];华东师范大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 徐静;金属催化化学腐蚀法制备硅纳米线的研究[D];郑州大学;2015年

2 张文文;一维硅纳米结构的形貌调控及相关机制研究[D];复旦大学;2014年

3 刘晓鹏;硅纳米线阵列结构调控及减反特性研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

4 黄睿;硅纳米线的制备及其在新型太阳能电池中的应用[D];华北电力大学;2015年

5 胡静;图案化蓝宝石衬底及硅纳米线的制备[D];南京大学;2015年

6 陈伟凤;硅纳米线热导率边缘效应的键弛豫理论研究[D];湖南师范大学;2015年

7 徐鑫;金硅合金晶体结构与性质的理论研究[D];青岛大学;2015年

8 徐霜;硅/碳纳米管的电子性能和硅纳米线谐振性能的原子模拟[D];南昌航空大学;2015年

9 张安骏;基于硅纳米结构的薄膜光伏技术研究[D];合肥工业大学;2015年

10 张鹏;基于分子动力学模拟的硅纳米线谐振特性研究[D];东南大学;2015年

，

本文编号：1018749