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三元过渡金属磷化物电催化分解水析氢、析氧性能及机理研究

发布时间:2020-05-21 22:35
【摘要】:近年来,由煤、石油等化石燃料过度燃烧带来的环境污染和资源短缺等问题引起人们对清洁、可再生能源的重视,其中电解水制氢作为制备清洁能源的一个绿色途径,值得人们对此深入研究。对于电解水制氢技术,考虑到实际生产中的低成本原则,需要寻找价格低廉的过渡金属来取代贵金属用于电催化剂的研究中。根据以往的报道,过渡金属磷化物具有特殊的能带结构,在研究中表现出良好的电催化活性和电化学稳定性,有望取代贵金属催化剂。然而,二元磷化物的晶体结构有限、性能可调节性差。研究表明,材料的组成元素之间存在着普遍的“协同效应”,据此,构筑三元过渡金属磷化物将是提高材料电催化性能的有效思路。本研究选择具有相同晶体结构的二元磷化物来构筑三元体系,主要的研究对象为Ni-Fe-P和Co-Fe-P两种电催化剂材料,主要的研究内容如下:(1)通过水热法和低温磷化法分别在碳纤维毡(CF)和泡沫镍(NF)上构筑Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x电催化剂材料,在碱性条件下探究其电解水性能。通过三电极体系研究发现,Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x的电催化析氢和析氧活性远高于NiFe-LDH前驱体,而以NF为基底的催化剂阵列的电催化活性优于以CF为基底的催化剂阵列。前者得益于Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x良好的本征导电性,有利于电子在催化剂材料中的传输;后者则得益于催化剂与NF紧密的接触性,有利于电子从基底到表面的传输。通过两电极体系研究发现,Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x@NF在全水解测试中表现出最佳的电催化性能,其产生10mA?cm~(-2)电流密度所需要的电压仅为1.55 V,明显优于工业用的Pt@Ti||RuO_2/IrO_2@Ti电极对(1.62 V)。(2)通过水热法和低温磷化法在碳布(CC)上构筑Co_xFe_(1-x)P@CC纳米线阵列,在碱性条件下探究其电解水性能。在三电极测试体系中,通过几何表面积、催化剂质量和电化学表面积的归一化研究,分别系统地探索了Co_xFe_(1-x)P@CC的电催化活性规律,发现当Co与Fe的比例在1:1附近时析氢活性最佳(Co_(0.56)Fe_(0.44)P@CC),而在3:1时析氧活性最佳(Co_(0.79)Fe_(0.21)P@CC)。在两电极测试体系中,Co和Fe共存的三元催化剂体系展示出显著的“协同效应”,其中,Co_(0.79)Fe_(0.21)P@CC纳米阵列的性能最佳,在产生电流密度为10 mA?cm~(-2)所需要的电压仅为1.60 V。
【图文】:

水电解槽


第 1 章 绪论水制氢水制氢反应原理所示,一个完整的电解槽由电解质(即 H2O)、阴极电,为了加快水分解,通常需要在电极上涂覆一层催化剂半反应组成,,即在阴极电极上发生水的还原反应(析氢水的氧化反应(析氧反应)。当施加电压于外电路时,电子生成氢气;在阳极上,氢氧根失去 4 个电子生成氧理论产量比为 2:1。根据不同的介质中水的分解反应,水学式表达[2]:

电催化剂,双功能,塔菲尔斜率,极化曲线图


系统中如:Ea-Bf-Ec||Ea-Bf-Ec(Ea-Bf-Ec:地球上储量丰富的双功能性催化剂以进一步降低成本,简化电解水系统[33-36]。由于在酸性介质中,水分解需要、高效的不溶于酸的OER电催化剂,因此大量的OER电催化剂多用于碱性介[12],目前在商业水电解槽中也使用碱性介质[18]。 因此,在碱性介质中开发高价的HER和OER双功能电催化剂可以显著提高整体水分解效率。目前,在碱性介质中,国内外关于电化学性能优异的电催化剂已经报道了[33-39],其电化学性能媲美甚至超过商业电极对 Pt/C||RuO2。不过相对于单纯ER和OER催化剂,在碱性介质中,关于水分解性能优异的双功能性电催化剂道还是很少。主要的研究集中在钴基和镍基材料上。.2.1 钴基 HER 和 OER 双功能电催化剂近年来,对非贵金属双功能性电催化剂元素研究最多的主要集中在Co、Ne、Mn、Cu等过渡金属元素上,主要原因在于过渡金属元素地球储量丰富,价廉,合成方法简单,合成的催化剂性能优异。其中,研究最早的是钴基催化
【学位授予单位】:中国石油大学(北京)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ116.2;O643.36

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本文编号:2675009


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