非贵金属材料作为析氢电催化剂的研究

发布时间：2018-06-05 03:04

  本文选题：SPE水电解 + MoS_2　； 参考：《天津大学》2015年硕士论文

【摘要】：氢气作为一种高效清洁的能源载体,被当作传统能源的理想替代者。如何高效可持续的获得氢气是氢经济循环中的重要一环。固体聚合物电解质(SPE)电解水被认为是可持续获取氢气的有效方法,但是SPE电解槽高昂的成本限制了其大规模用于制氢。为了降低SPE电解槽的成本,我们需要寻找高效廉价的析氢催化剂。作为一种非贵金属化合物,MoS2被当作析氢催化剂进行了广泛的研究。本研究采用不同的前驱体合成两种不同形貌的MoS2纳米材料并对比其析氢性能,结果发现MoS2纳米片催化活性高于MoS2纳米颗粒。通过溶剂热法合成以还原氧化石墨烯为载体的MoS2/RGO,该复合材料在酸性条件下催化活性比MoS2有较大提高,电流密度达到10 mA cm-2时的过电位为183 mV,塔菲尔斜率为40.8mV dec-1。通过溶剂热法合成以还原氧化石墨烯(RGO)为载体的Ni2P和MoS2复合材料(MoS2-Ni2P/RGO)。使用SEM、TEM及XRD等方法对所得催化剂材料的表面形貌、晶体结构进行了表征。在酸性条件下,该复合材料对析氢反应表现出较高的催化活性和稳定性,当电流密度为10 mA cm-2时过电位为160 mV,塔菲尔斜率为35.9 mV dec-1,Ni2P和MoS2之间的协同效应可用氢溢流理论进行解释。MoS2/RGO是一种催化活性较高的非贵金属析氢催化剂,而Ni2P纳米颗粒极大的提高了MoS2/RGO对析氢反应的催化活性。过渡金属磷化物是另一类被广泛研究的析氢催化剂。本研究通过固相法合成了Ni2P和CoP纳米颗粒,CoP表现出比Ni2P更低的起始电位。经过水热反应和低温磷化反应两步合成了碳纸负载CoP纳米线(CoP/CP),CoP/CP作为三维析氢催化剂,当电流密度达到10 mA cm-2时过电位为114 mV,塔菲尔斜率为53.5 mV dec-1。经过水热反应将一定浓度的氧化石墨烯水溶液转换成石墨烯水溶胶。合成以三维石墨烯为载体的CoP纳米线,该复合材料作为析氢催化剂时电流密度达到10 mA cm-2时的过电位仅为137 mV,塔菲尔斜率为57.6 mV dec-1。无论碳纸还是三维石墨烯作载体都能够有效提高CoP的催化性能。
[Abstract]:As an efficient and clean energy carrier, hydrogen is regarded as the ideal substitute for traditional energy. How to obtain hydrogen efficiently and sustainably is an important part of hydrogen economic cycle. Solid polymer electrolyte (SPE) electrolytic water is considered to be an effective method for the sustainable production of hydrogen, but the high cost of SPE electrolytes limits its large-scale use in hydrogen production. In order to reduce the cost of SPE electrolysis cell, we need to find efficient and cheap hydrogen evolution catalyst. As a non-precious metal compound, MoS 2 has been widely studied as a catalyst for hydrogen evolution. In this study, two kinds of MoS2 nanomaterials with different morphologies were synthesized with different precursors and their hydrogen evolution properties were compared. The results showed that the catalytic activity of MoS2 nanoparticles was higher than that of MoS2 nanoparticles. MoS _ 2 / R _ (GOA) supported on reductive graphene was synthesized by solvothermal method. The catalytic activity of the composite is higher than that of MoS2 in acidic condition. The overpotential of the composite is 183mV when the current density reaches 10mA cm-2, and the Taffer slope is 40.8mV dec-1. The Ni2P and MoS2 composites were synthesized by solvothermal method with reduced graphene oxide (RGOO) as the carrier, and MoS _ 2-Ni _ 2P / R _ (GOO) composites were synthesized. The surface morphology and crystal structure of the catalyst were characterized by SEM TEM and XRD. The composite exhibited high catalytic activity and stability for hydrogen evolution under acidic conditions. When the current density is 10 Ma cm-2, the overpotential is 160mV, and the Taffer slope is 35.9 MV dec-1n Ni 2P and MoS2, which can be explained by hydrogen overflow theory. Mos 2 / RGO is a non-noble metal hydrogen evolution catalyst with high catalytic activity. Ni2P nanoparticles greatly improved the catalytic activity of MoS2/RGO for hydrogen evolution. Transition metal phosphates are another widely studied hydrogen evolution catalyst. In this study, Ni2P and CoP nanoparticles were synthesized by solid state method, and their initial potentials were lower than those of Ni2P. Carbon paper supported CoP nanowires were synthesized by hydrothermal reaction and low temperature phosphating reaction as three dimensional hydrogen evolution catalysts. When the current density is 10 Ma cm-2, the overpotential is 114mV and the Taffer slope is 53.5 MV dec-1. A certain concentration of graphene oxide aqueous solution was converted to graphene hydrosol by hydrothermal reaction. CoP nanowires supported on three dimensional graphene were synthesized. The overpotential of the composite was 137mV when the current density reached 10mA cm-2 and the Taffer slope was 57.6mV dec-1 when the composite was used as catalyst for hydrogen evolution. Whether carbon paper or three-dimensional graphene as carrier can effectively improve the catalytic performance of CoP.
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ116.2;O643.36

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本文编号：1980169