自支撑过渡金属催化剂的制备及电分解水研究

发布时间：2020-06-11 23:37

【摘要】：由于气候变化和石油供应的枯竭,清洁能源的研究和开发对未来人类社会的发展至关重要。利用可再生能源(如太阳能、风能等)驱动电化学分解水是制备环境友好、可循环利用的高纯度氢燃料的有效途径。目前在电催化分解水反应中性能最好的仍然是贵金属,例如铂(Pt)应用于析氢反应(HER),而氧化铱(Ir O2)和氧化钌(Ru O2)应用于析氧反应(OER),但贵金属昂贵稀少且稳定性较差,大量的研究已经致力于发展过渡金属,尤其是自支撑过渡金属催化剂用于替代贵金属催化剂。纳米技术和材料化学的不断进步,为一系列先进纳米结构材料的出现做出了巨大的贡献。自支撑过渡金属催化剂直接生长在导电基底上降低了合成技术的成本,促进了基底与活性位点之间的电子传输,而且防止了催化剂在产生气泡过程中的脱落现象,从而提高了催化剂的催化活性以及稳定性。同时一些催化剂在实际应用中具有双功能性,这为探索新型电催化材料指引了方向。但是过渡金属与贵金属相比,催化性能仍然有很大的提高空间。设计高效稳定催化剂的关键原则在于暴露更多的催化位点,优异的导电性以及稳定的催化结构。围绕以上几点及设计原则,本论文主要可以分为以下几个部分:首先研究了利用常温浸泡法实现自支撑硫化亚铜纳米阵列结构的可控生长,并研究其在酸性环境下的电催化析氢反应,然后通过水热法在硫化亚铜表面外延生长钴酸镍,形成硫化亚铜/钴酸镍的异质结构,两者相互协同作用使析氢反应性能进一步提高;随后,利用电化学活化的方法将自支撑硫化亚铜纳米线结构转化为硫掺杂氧化亚铜的疏松多孔结构,应用于电催化全分解水反应,性能得到大幅度提升,并通过理论计算和实验监测共同结合的方法,深入讨论了性能与结构变化之间的关系;最后,我们创制了界面直接外延诱导法生长羟基氧化物的制备方法,并成功在此过程中将铁原位掺杂进羟基氧化物中,该催化材料不仅在合成步骤上简化于二次氧化氢氧化物制备羟基氧化物的两步法,而且在电催化析氧反应的应用上远远优于传统的氢氧化物。
【图文】：

前两者占整个制氢技术的 95%，只有 4%的氢气是[5]。显然，目前氢气的生产依然严重依赖于不可再生的化石燃燃料产氢排放的二氧化碳造成了严重的温室效应[6]。其中电解中的风能、太阳能以及其它可再生的能源储存电能，用于分解，氢气和氧气燃烧释放储存的能量，同时生成清洁的水资源，续产氢的有效方式，因为它的电源。如图 1.1 所示[7]。电化学反应组成：阴极发生析氢反应（HER），阳极发生析氧反应（解水技术提供了良好的发展空间。虽然电解水是一种制备高纯，但是在实际应用中，电化学分解水技术在氢气的量产上仍然是实现高效析氢和析氧反应电催化剂的制备并被有效利用，使电容易进行。理想的析氢或析氧反应催化剂必须满足两个基本需应的催化剂必须具有较高的活性，，在较低过电势下产生较大催化剂本身必须具备长时间的稳定性。

图 1.2 电解水装置示意图[5]。Figure 1.2 Schematic diagram of an electrolyzer[5].所示，电解水的装置主要由电解液、阴极和阳极三析氧反应活性的双功能催化剂分别应用于电解池的应。当外加电压施加在两电极上，析氢反应和析氧反。电解液的不同导致水分解发生的反应机理不同，解水总的化学方程式：222H OH+ 12O………………解液中的反应：阴极：22H +2eH+ ………………阳极：+ HO2H+ 12O+2e22…………
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ426;TQ116.2

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 闫肃;张红江;王亚贤;逄彬;王丽满;季生福;蔡小平;;前过渡金属催化剂的现状及进展[J];化工科技;2008年05期

2 伏义路;田扬超;;一种简易的原位低温红外池[J];化学通报;1989年04期

3 钟玲,华静,杨卫海,贾彬彬,陈滇宝;原子转移自由基聚合中过渡金属催化剂的研究进展[J];弹性体;2003年06期

4 许毓,尤田耙,王忠义;手性过渡金属催化剂催化的不对称环丙烷化反应[J];化学试剂;1999年06期

5 张淑芳;白赢;彭家建;胡应乾;来国桥;;聚苯乙烯固载过渡金属催化剂在硅氢加成和加氢反应中的应用[J];化学进展;2013年05期

6 梁玉华,陈滇宝;过渡金属催化剂价态变化规律的研究方法[J];实验室研究与探索;1992年01期

7 陈家威,黄锦霞,许晶;强酸型离子交换树脂支载的过渡金属催化剂[J];应用化学;1993年04期

8 吴廷华,袁夥,万惠霖;甲烷部分氧化制合成气负载型过渡金属催化剂性能的研究[J];浙江师范大学学报(自然科学版);2004年02期

9 应春钟;魏铨;;载钴ZSM-5分子筛的原位氧化还原研究[J];燕山油化;1992年01期

10 阎子峰,薛锦珍,沈师孔,王弘立;担载型过渡金属催化剂上CH＿4＋C＿2H＿4→C＿3H＿8反应的初步研究[J];分子催化;1996年03期

相关会议论文 前10条

1 周歆;刘东兵;;非茂前过渡金属催化剂的研究进展[A];中国化工学会2003年石油化工学术年会论文集[C];2003年

2 朱刚;李江涛;晏志军;杨晓慧;;甲醇在MgO负载型过渡金属催化剂上裂解制备氢气[A];中国化学会第28届学术年会第8分会场摘要集[C];2012年

3 李飞龙;黄小青;郎建平;;基于MOF的过渡金属催化剂的控制合成及其电催化研究[A];中国化学会第八届全国配位化学会议论文集—墙报[C];2017年

4 牛俊龙;杜聪;宋毛平;;双齿导向基辅助下廉价金属钴催化的碳氢键活化反应研究[A];中国化学会第十四届全国有机合成化学学术研讨会会议论文集[C];2017年

5 潘秀莲;包信和;;碳纳米管的限域效应对催化性能的影响[A];第十四届全国催化学术会议论文集[C];2008年

6 于静;江梦园;燕然;马献涛;;水相体系中杂芳基硫醚的绿色合成[A];河南省化学会2018年学术年会摘要集[C];2018年

7 张振;叶剑衡;周文俊;鞠涛;宋磊;廖黎丽;余达刚;;二氧化碳参与的杂环合成研究[A];中国化学会第十四届全国有机合成化学学术研讨会会议论文集[C];2017年

8 刘东涛;崔冬梅;;稀土催化双官能化极性苯乙烯高间规选择性聚合[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题A：高分子化学（1）[C];2017年

9 李志平;;铁催化C-H键和C-C键活化[A];第十六届全国金属有机化学学术讨论会论文集[C];2010年

10 王红明;任兴业;杨龙华;;过渡金属催化剂催化活化二氧化碳的理论研究[A];中国化学会第28届学术年会第13分会场摘要集[C];2012年

相关重要报纸文章 前1条

1 宗成;高选择性醇氧化有新工艺[N];中国化工报;2005年

相关博士学位论文 前8条

1 张晓琳;自支撑过渡金属催化剂的制备及电分解水研究[D];吉林大学;2018年

2 刘登峰;非对称双席呋碱过渡金属催化剂对环氧烷与环酸酐开环共聚制备聚酯的研究[D];西北大学;2014年

3 吕存琴;甲胺和甲烷在不同催化剂表面裂解的密度泛函理论研究[D];太原理工大学;2010年

4 郭昌山;手性有机小分子催化剂的合成应用及过渡金属与有机小分子催化剂共催化串联反应研究[D];南京大学;2010年

5 任瑞鹏;乙烯和氯乙烯在金属类催化剂表面氧化反应的密度泛函理论研究[D];太原理工大学;2011年

6 郝志强;新型非茂过渡金属配合物的合成、表征及催化性质研究[D];吉林大学;2017年

7 姚淑娟;气体分子在过度金属催化剂上吸附行为的密度泛函理论研究[D];中国地质大学;2009年

8 王海丰;环境催化中稀土及过渡金属催化材料作用机制的第一性原理研究[D];华东理工大学;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 吴春明;氮杂环卡宾金属配合物合成、表征及其性能研究[D];辽宁大学;2018年

2 闫晓红;基于有机配合物途径制备超细高分散碳载过渡金属催化剂[D];南京师范大学;2018年

3 郑全德;非茂前过渡金属催化剂的合成及在烯烃配位聚合中的应用[D];青岛科技大学;2018年

4 崔雪亮;氮掺杂碳材料负载过渡金属催化剂的制备及催化性能研究[D];兰州大学;2018年

5 周阳;新型全杂环过渡金属催化剂及其催化乙烯丙烯共聚合的研究[D];北京化工大学;2015年

6 刘冰;过渡金属的邻、对位羟基吡啶配合物：合成、结构及催化研究[D];辽宁大学;2017年

7 张焱;基于过渡金属催化剂的合成设计及其水氧化性能的研究[D];兰州大学;2017年

8 周强飞;磁性纳米粒子负载过渡金属催化剂的制备及其在有机反应中的应用[D];南京理工大学;2016年

9 杨佳;高度隔离过渡金属催化剂的制备及其对苯甲醇选择氧化的研究[D];辽宁师范大学;2009年

10 姚文娟;铁催化的“一锅法”环化反应合成多取代呋喃衍生物的研究[D];华南理工大学;2011年

本文编号：2708649