自支持过渡金属化合物纳米结构的合成及其析氢电催化性能研究

发布时间：2020-08-22 14:15

【摘要】：由于对能源短缺和环境污染等问题的担忧,人们一直致力于探索可再生的清洁新能源。在众多的清洁能源当中,氢气被认为是未来最有潜力的新能源之一。同时电解水制氢技术被认为是最清洁、可持续且可大规模制氢的技术。为了降低能耗则需要更高效、廉价的电催化剂用于电解水。目前,Pt族类贵金属材料已被证明是活性最高的析氢电催化剂,但由于它的高成本和稀缺性限制了其在工业中的广泛应用,因此探索高效、廉价、高贮藏量的非贵族金属电催化剂是一个关键性的挑战。本文通过简单可行的制备方法合成了具有高活性的非晶三元合金Ni-Co-P薄膜(Ni-Co-P/NF)、超长混合相Ni-P纳米线阵列(Ni-P NWs/Ti)和多孔MoC_x纳米颗粒薄膜(MoC_x/CFP),并探究了三种电催化剂的析氢性能,本文相应的工作如下:(1)非晶三元合金Ni-Co-P薄膜负载于泡沫镍基底。以镍盐、钴盐和磷酸盐为原料,通过低温一步合成得到该催化剂。获得的催化剂在碱性介质中在电流密度为20 mA cm~(-2)时的析氢过电位为125 mV,且能够稳定产氢25 h以上。同时本文还探究了金属源的浓度、次亚磷酸钠的浓度和溶液pH值等参数对电催化析氢性能的影响。(2)原位生长的超长混合相Ni-P纳米线阵列。首先通过化学镀法借助外磁场的作用在Ti片基底生长超长Ni纳米线阵列,再经过低温磷化得到混合相Ni_5P_4-Ni_2P-NiP_2纳米线阵列。该催化剂在酸性介质中在电流密度为20 mA cm~(-2)时的析氢过电位仅为96 mV,且能够稳定产氢25 h以上。而且该催化剂还可以在碱性介质中进行电催化析氢反应,在电流密度为20 mA cm~(-2)时的过电位为153 mV。此外本文还探究了不同磷化温度等因素对电催化析氢性能的影响。(3)多孔MoC_x纳米颗粒薄膜原位生长于碳纤维纸。首先通过提拉法在碳纤维纸基底上制备Mo+PVP前驱体薄膜,然后再经过高温碳化过程得到最终催化剂。该催化剂在酸性和碱性介质中都表现了超高的电催化活性,即酸性和碱性介质中在电流密度为20 mA cm~(-2)时的析氢过电位分别为75和58 mV,并且都能稳定产氢25 h以上。同时本文还探究了不同碳化温度、不同碳前驱体用量和不同负载量对电催化析氢性能的影响。
【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】：TQ116.2;O643.36
【图文】：

示意图,碱性电解,示意图,水分子

江苏大学硕士学位论文隔膜稳定性差及寿命短等因素的限制，目前中间一般解池的阴极与阳极隔开用于透过离子而分离产生的下，水分子和 K+形成具有极性的水分子并透过隔膜生的 H+就会得到电子而析出氢气（2H2O+2e—→H2—就会向阳极迁移并失去电子而析出氧气（2O。该技术装置简单、操作方便，但电解效率低，因率等方面还有待改善。

示意图,电解水,质子交换膜,示意图

图 1.2 质子交换膜电解水示意图 The diagram of proton exchange membrane method for water 化物电解水如图 1.3 所示。水以蒸汽的形式通入阴极室，在阴极+和 O2—，H+进一步得到电子生成氢气（H2O+2e—的电解质从阴极室迁移到阳极室，在阳极催化剂的+2e—）[25]。与另外两种电解装置不同，固体氧化物电00 ℃以上，高的反应温度虽然降低了电解电压的损失电解效率，但是对电解池和电极材料的耐高温和耐腐术的商业化应用。

示意图,固体氧化物,电解水,示意图

图 1.2 质子交换膜电解水示意图ure 1.2 The diagram of proton exchange membrane method for water electro固体氧化物电解水装置如图 1.3 所示。水以蒸汽的形式通入阴极室，在阴极催化成 H+和 O2—，H+进一步得到电子生成氢气（H2O+2e—→O2—过中间的电解质从阴极室迁移到阳极室，在阳极催化剂的作用1/2O2+2e—）[25]。与另外两种电解装置不同，固体氧化物电解水在 800 ℃以上，高的反应温度虽然降低了电解电压的损失，有高了电解效率，但是对电解池和电极材料的耐高温和耐腐蚀性该技术的商业化应用。

【参考文献】