四种复合材料的制备及其电化学析氢性能研究

发布时间：2020-07-18 19:28

【摘要】：能源短缺问题已成为全球性的问题,开发具有优越性能的新材料来应对能源危机具有现实性意义。氢能是一种燃烧热值高、来源广泛的清洁能源。作为工业化生产氢气的技术,电解水制氢具有操作简便、清洁无污染等突出优点,被认为是可行且成熟的技术之一。高效理想的阴极析氢电极材料应具有较小的过电位、较大的比表面积、良好的导电性、较高的电催化活性、较好的稳定性等特性。但多数电极由于析氢过电位较大、催化活性较低等产生的高能耗,使其不能广泛应用于工业化生产中。所以,制备较小析氢过电位、较高催化活性的电极材料,无论从节能增效,还是从长远地解决能源短缺问题方面,都具有至关重要的现实意义。本论文结合原位聚合法、水热法和化学还原法制备了四种复合材料,并对其结构、形貌及电解水析氢性能进行了测试并分析,研究表明四种复合材料电催化活性较高、稳定性较好。主要研究内容如下:(1)采用水热方法制备了MoS_2/PANI复合材料,并探讨了不同PANI含量对复合材料析氢性能的影响。MoS_2生长在PANI表面防止了MoS_2纳米微球的团聚,且复合的PANI能提高复合材料的电子传导能力。MoS_2/PANI复合材料在 400 mV过电位下,其电流密度远大于单纯MoS_2对应的电流密度(5 mA cm-2),其中修饰PANI含量为19wt%的MoS_2/PANI-5电极,其电流密度最大,为80 m A cm-2。MoS_2/PANI-5电极的Tafel斜率(49 mV dec-1)远小于单纯MoS_2的(93mV dec-1),交流阻抗谱中的电荷转移阻抗Rct在九种电极中最小。较好的析氢性能得益于最优含量的PANI提高了复合材料的导电性、抑制了MoS_2微球的团聚,使其暴露出更多的活性位点。(2)通过易于操作的水热方法制备了CoS_2/MWCNTs复合材料,研究了MWCNTs的修饰对于CoS_2材料析氢性能的提高机理,基于MWCNTs较大的比表面积和良好的导电性,CoS_2暴露出更多的有效边缘位点,复合材料的导电性得到提高。CoS_2/MWCNTs复合材料(73m A cm-2)在 400 mV过电位下,其电流密度远大于单纯CoS_2对应的电流密度(29 m A cm-2),同时CoS_2/MWCNTs电极的Tafel斜率(83mV dec-1)远小于单纯CoS_2的,且CoS_2/MWCNTs电极的电荷转移阻抗Rct(310Ω)也低于单纯CoS_2电极。CoS_2/MWCNTs电极良好的析氢性能归因于MWCNTs良好的导电性、CoS_2微球较弱的团聚。(3)基于乙炔黑(AB)较大的比表面积和良好的导电性以及WS2丰富的边缘缺陷位点,制备了WS2/AB复合材料,并以天然的层状硅酸盐矿物—4A沸石作为造孔剂,制备了多孔WS2/AB复合材料,探究多孔WS2/AB对于电解水析氢电催化性能的提高机理。研究发现, 400 mV析氢电位下三种电极达到的电流密度大小依次为多孔WS2/ABWS2/ABWS2,多孔WS2/AB电极的交换电流密度是WS2/AB电极的1.6倍,是WS2电极的2.5倍。多孔WS2/AB析氢性能的提高原因是:AB的复合增强了复合材料的导电性,多孔结构的形成提高了电极的真实比表面积。(4)采用简单的原位聚合方法制备聚吡咯(PPy)纳米线并作为成核点,水相中化学还原Ni2+成纳米Ni颗粒,制备了纳米Ni/PPy复合材料,并探究了Ni/PPy复合电极电解水析氢的电催化性能。Ni/PPy复合材料在 400 mV过电位下,其电流密度(93 mA cm-2)是单纯纳米Ni对应的电流密度(36 mA cm-2)的2.6倍,且Ni/PPy电极的Tafel斜率要远小于单纯Ni电极,Ni/PPy电极的交换电流密度是Ni电极的1.8倍。这都得益于PPy提高了复合材料的导电性,抑制了Ni纳米颗粒的团聚,使其暴露出丰富的边缘缺陷位点。本论文主要制备了四种复合材料:MoS_2/PANI、CoS_2/MWCNTs、多孔WS2/AB和纳米Ni/PPy,同时四种复合材料在电解水析氢方面具有高催化活性,低Tafel斜率,良好的稳定性等优点,具有较好的应用前景。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【图文】：

图 1-1 中 性 或 碱 性 溶 液 中 析 氢 反 应 过 程 图1-1 HER process in neutral or alkaline solution学反应 步骤（ Volmer 反应）：+ e-+ M→MH + H2O（酸 性介质）

M-H 吸 附 键 强 度 与 析 氢 反 应 过 程 中 交 换 电 流 密 度Relationship between M-H adsorption bonding streexchange current densities in HER氢气在 具 有 d 电子空 轨道 的金属上析出时交 换键 强 度 的关 系 。 从 图 上可 以 看 出， Pt 族 金属

图 2-1 XPS 的 工 作 原 理 图Fig. 2-1 Working principle of XPS谱分析 术（Raman）起源 于拉 曼散射效 应 ，指光

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本文编号：2761327