疏气与疏液关系研究和其在电催化析气中的应用
发布时间：2020-07-14 01:25
【摘要】：能源衰竭已经成为当今世界上困扰人类的主要难题之一。传统的一次化石能源由于其不可再生性以及能量转换效率低等特性,已经不能满足人类日益增长的各种耗能体系的需求。寻找和开发可以替代一次能源的新型能量储存与转换系统,以及如何更高效率地利用环境友好型的清洁能源是人类当前研究的重点之一。电解水体系是一种能源转换系统中获取清洁能源方法之一,电解水包含氢气析出反应和氧气析出反应。如何有针对性地设计制备相应的析气反应新型催化剂,达到降低能源转换过程中的能耗和提高电解效率目的,是目前的研究重点。目前大部分的催化剂都只是集中于单功能催化剂的研究,为了节约成本,发展可以在一种工作环境中同时电解水生成氢氧气的新型高效双功能催化剂至关重要。同时对于气体析出反应,大多数平面及粉末状电极还面临着较严重的“气泡屏蔽效应”影响,制备具有高本征活性与弱“气泡效应”的纳米结构超疏气电极是十分有必要的。很多研究者只是简单地制备超疏气电极材料,而很少对如何制备超疏气电极材料进行研究。针对上述问题,本论文从以下两个方面进行了研究:1、测试光滑样品表面液体接触角,选出接触角逐渐变化(在0-145°范围内选取具有代表性的数值,数值从小到大排列)的液体体系,再在其液下测试样品表面气体的接触角,通过对疏气与疏液关系的研究得出:当液体在某基底上的接触角小于65°±5°时,在该液体下基底的气体接触角具有超疏气的性能;当液体接触角在大于65°±5°小于145°±5°范围时,液体接触角与气体接触角互补;一般具有超疏水性能微纳米结构的材料具有超疏气的性能。根据以上的结论,可以通过选取具有亲水性的本征材料制备催化剂或制备微纳米结构催化剂获得超疏气材料。2、利用电沉积法制备得到了矿物晶体石头状Cu-Co-Mo-O微纳米电极,并研究了其作为电解水析出反应催化剂的电化学活性以及疏气性能。首先以金属泡沫镍为基底,在酸性环境中利用电沉积法得到Cu-Co-Mo-O前驱体,再在烘箱陈化得Cu-Co-Mo-O微纳米电极。再对其进行了形貌和物质成分分析,对比了Cu-Co-Mo-O微纳米电极和测试析氢和析氧后的表面形貌;测试碱性环境中的电催化HER性能、OER性能和全水解性能以及后测试样品在碱性环境中的超疏气性能。该电极可以作为高活性、高稳定性的全水电解双功能电催化剂应用于未来的能源领域中。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ426;TQ116.2
【图文】：
对生成的气体产生较强的粘附作用，增大反应的传质具有高本征活性与弱“气泡屏蔽效应”的纳米结构超润电极与传统平面结构的电极相比，显著降低了催化附作用，大大加快了气泡的析出速率，增强了工作稳性得到了提高。关于如何有效制备超疏气材料的相关备超疏水的材料的报道有很多，超疏水与超疏气是否于疏液与疏气的关系，为研究者制备超疏气的电极提疏液的关系理论推导光滑表面上疏气与疏液的关系理论推导ung’s 公式的推论，可以尝试用同样的方法（热力学定律下的气体接触角的模型（图 3.1），对气体模型做以下体所受液体压力的影响（Young’s 方程不考虑液体重力不为零
理想的光滑表面一般不可能达到，如果需要在实际过程中研究疏液与疏气的关系，需要建立一般的理论模型。首先假设材料表面具有微凸起结构，φ为表面微凸柱的倾角，L 为微凸柱间距，H 微凸柱高度，具体示意图如图 3.2。①液体要易于取代电极表面上的气体，即液体取代表面上气体过程的吉布斯自由能应小于 0，即 G < 0。 G = ( ) = cos < 0，则θ < 90°，所以表面应具有亲水性，其中 A 为液体取代气体的面积，θ为液体在气体环境中的接触角， ， 和 分别是固液表面张力，固气表面张力和液气表面张力。②对于具有微凸起结构的表面，水要完全浸透表面，必须要达到力学的平衡，从图 3.2 cos 是液体渗透材料表面的力，而2 sin 阻碍液体渗透材料表面的力。当压强 P 等于0 时，就是液体渗透材料表面的临界点即 = arctan( /2 )，当 θ 小于 时，液体就会渗透材料表面，材料就会拥有超疏气的性能。P =2 sin cos （3.7）θ < = max ,arctan( /2 ) （3.8）
重庆大学硕士学位论文 3 疏气与疏液关系的研究综上所述，当液滴在空气中的接触角满足θ < min ,arctan( /2 ) 时，材料在液体中能表现出超疏气性；当液体接触角在大于arctan( /2 )小于某个范围时，液体接触角与气体接触角互补根据平面理论而液体在空气中的接触角满足某一范围时，液滴在气体环境中的接触角与气泡在液体环境中的接触角成互补的关系；而当材料表面具有微纳米结构时，样品表面具有超双疏的性能即同时超疏水和超疏气，具体示意图如 3.3。
本文编号：2754274
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ426;TQ116.2
【图文】：
对生成的气体产生较强的粘附作用，增大反应的传质具有高本征活性与弱“气泡屏蔽效应”的纳米结构超润电极与传统平面结构的电极相比，显著降低了催化附作用，大大加快了气泡的析出速率，增强了工作稳性得到了提高。关于如何有效制备超疏气材料的相关备超疏水的材料的报道有很多，超疏水与超疏气是否于疏液与疏气的关系，为研究者制备超疏气的电极提疏液的关系理论推导光滑表面上疏气与疏液的关系理论推导ung’s 公式的推论，可以尝试用同样的方法（热力学定律下的气体接触角的模型（图 3.1），对气体模型做以下体所受液体压力的影响（Young’s 方程不考虑液体重力不为零
理想的光滑表面一般不可能达到，如果需要在实际过程中研究疏液与疏气的关系，需要建立一般的理论模型。首先假设材料表面具有微凸起结构，φ为表面微凸柱的倾角，L 为微凸柱间距，H 微凸柱高度，具体示意图如图 3.2。①液体要易于取代电极表面上的气体，即液体取代表面上气体过程的吉布斯自由能应小于 0，即 G < 0。 G = ( ) = cos < 0，则θ < 90°，所以表面应具有亲水性，其中 A 为液体取代气体的面积，θ为液体在气体环境中的接触角， ， 和 分别是固液表面张力，固气表面张力和液气表面张力。②对于具有微凸起结构的表面，水要完全浸透表面，必须要达到力学的平衡，从图 3.2 cos 是液体渗透材料表面的力，而2 sin 阻碍液体渗透材料表面的力。当压强 P 等于0 时，就是液体渗透材料表面的临界点即 = arctan( /2 )，当 θ 小于 时，液体就会渗透材料表面，材料就会拥有超疏气的性能。P =2 sin cos （3.7）θ < = max ,arctan( /2 ) （3.8）
重庆大学硕士学位论文 3 疏气与疏液关系的研究综上所述，当液滴在空气中的接触角满足θ < min ,arctan( /2 ) 时，材料在液体中能表现出超疏气性；当液体接触角在大于arctan( /2 )小于某个范围时，液体接触角与气体接触角互补根据平面理论而液体在空气中的接触角满足某一范围时，液滴在气体环境中的接触角与气泡在液体环境中的接触角成互补的关系；而当材料表面具有微纳米结构时，样品表面具有超双疏的性能即同时超疏水和超疏气，具体示意图如 3.3。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 王艳辉,吴迪镛,迟建;氢能及制氢的应用技术现状及发展趋势[J];化工进展;2001年01期
本文编号：2754274
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