几种纳米电催化剂的可控制备及其析氧性能研究

发布时间：2020-08-07 20:15

【摘要】：氢气作为一种丰富的、可再生的、清洁的新能源被认为是最理想的替代化石燃料的能源之一。电解水是一种重要的制氢方法,通过电解水制备的氢气纯度高;氢产量可自动控制,无污染;工艺简单,维护方便。但是过高的阳极析氧过电位严重降低了其电能利用率,从而限制了电解水工业的发展。因此,寻找一种价格适宜、可有效降低析氧过电位、提高电能利用率的高效析氧电催化材料对电解水工业发展具有决定性的意义。贵金属和过渡金属化合物的析氧电催化性能优异,是目前析氧电极材料研究的热点。因此,本论文研究的目的是采用简单的方法探索制备出新颖的低贵金属复合材料、高比表面积的过渡金属化合物及其复合材料——价格适宜、高效稳定的电解水析氧催化剂。本论文具体研究内容包括以下几个方面:(1)采用化学气相沉积法制备了氮掺杂碳纳米管(CN_xNT_s)作为基底材料;然后,通过溶剂热法制备了复合催化剂IrO_x/CN_xNT_s。分别研究了不同IrO_x的载量对其在中性溶液(0.1 M KHCO_3)中的电催化析氧性能的影响。结果表明,IrO_x纳米粒子均匀分散于CN_xNT_s,得到的IrO_x/CN_xNTs催化剂在CO_2饱和的0.1 M KHCO_3溶液中具有良好的析氧电催化活性。15-Ir/C是最合适的催化剂,在电流密度为1和10 mA cm~(-2)时,表现出最低的过电位分别为171和472 mV。8-Ir/C表现出最高的质量活性(0.097 mAμg~(-1)Ir)。总之,较少的贵金属铱的负载量会很大的提高CN_xNTs催化剂的析氧反应性能。(2)采用水热法和大气中退火处理两个简单易行的步骤合成了海胆状的Co_3O_4、Co_3O_4纳米片、Co_3O_4纳米粒子以及Co_3O_4纳米球等材料。分别探究不同形貌的Co_3O_4材料对其析氧电催化性能的影响。结果表明,在四种不同形貌的Co_3O_4催化剂中,类海胆状的Co_3O_4表现出最好的析氧反应(OER)催化性能。在10 mA cm~(-2)的电流密度下,类海胆状的Co_3O_4表现出308 mV的低过电位,以及72mV dec~(-1)的小塔菲尔(Tafel)斜率,这表明其较优越的析氧催化性能。机理研究结果表明Co_3O_4-1的电子传递途径是一个两步过程,其中过氧物种(OOH~(ads))是中间体。(3)采用水热法和电沉积法然后分别退火处理制备了在碳纤维上生长出自支撑的一维NiCo_2O_4纳米线和类蜂窝状的二维NiCo_2O_4材料。将两种方法相结合开发了一种简单的两步湿化学方法,在硬性导电碳纤维上生长出三维(3 D)NiCo_2O_4分层纳米结构。分别探究三种NiCo_2O_4/C材料对析氧电催化性能的影响。结果表明,在三种NiCo_2O_4/C催化剂中,3 D分层纳米结构NiCo_2O_4复合材料催化剂表现出最好的析氧反应(OER)催化性能。在电流密度为10 mA cm~(-2)时,表现出最低的过电位分别为330 mV。这种以碳布做基底材料通过两步湿化学方法所制备的高性能的纳米复合材料催化剂,为电解水析氧材料的发展提供了新的思路和方法。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.21
【图文】：

流程图,电解水,制氢,流程图

图 1.1 电解水制氢和使用的流程图[7]。Fig.1.1 Picture of hydrogen production of water electrolysis and its use.前，电解水高效制氢技术研究已成为各界科研工作者研究的热点。对氢能，氯碱工业，风能和太阳能的转化利用也具有重大的意义。解质主要有三种类型：1）碱性电解水。碱性电解水中使用的电解质主要是氢氧化钾和氢氧

示意图,电解水,碱性溶液,示意图

己醇等易操作但氢气纯度低水无污染，能量转化率低技术相比，电解水法制氢的优点比较突出，具体如高。水的电解产生氢气的纯度可达到 99％至 99.9自动控制，没有污染；分少，占地的面积小；比较简单，维护比较方便。的主要问题的电解装置包括四部分：电解液、阴极、阳极和隔开，以此来获得纯的 H2和 O2。通常将一定量的电解高电导率。

原理图,电化学还原,阳极,阴极

扫描速度为 2 mVs-1下进行测试。电流密度（j）由工报道的电位是相对于可逆氢电极（RHE）。系式中给出了 Ag/AgCl 和 RHE 之间的转换：ERHE= EAg/AgCl+ 0.0591pH+0.199 V 以下关系式计算：η = ERHE- 1.23 V 氧化碳还原反应性能的研究，锡（Sn）箔片用作工2）或 IrOx/CNxNTs修饰的玻碳电极（0.07065 cm2）（饱和 KCl）用作参比电极。线性扫描伏安法(LSV行测试。用电池性能测试仪（LANDCT2001C）在 0化碳饱和）负电位下进行电解。在电解过程中，二氧做阴极，用 IrOx/CNxNTs修饰的玻碳电极做阳极电化如图 2.1 所示。

【参考文献】