铜基氧化物复合材料的制备及其电催化性能研究

发布时间：2020-08-26 01:35

【摘要】：氢气作为新能源燃料,燃烧值高,燃烧产物为水、高效清洁无污染。电催化水分解析氢是最经济和最环保的方法之一,其中的电极材料是决定电解水析氢能耗大小的关键因素之一。铜基电极材料具有导电性优良、价格低廉、地球储量大等特点,因此具有良好的发展前景。基于此现状,本文从铜基电极材料的形貌和性能关系出发,通过调控产物形貌来调控样品性能,进而根据性能指导调控样品形貌。具体内容如下:(1)采用泡沫铜为铜源和基底,通过低温液相法在泡沫铜基底上一步原位合成Ag/Cu_2O/Cu复合电极材料。将所制备的电极材料进行线性扫描伏安(LSV)、计时安培(I-t)、塔菲尔(Tafel)、循环伏安(CV)以及交流阻抗(EIS)测试,考察了银掺杂量以及氢氧化钾用量对产物形貌和电化学性能的影响。结果表明:电流密度在10mA/cm~2时的过电位仅为108 mV vs RHE,Tafel斜率仅为58 mV/dec,且双电层电容达到44.9 mF/cm~2,稳定性测试10 h后,样品电流密度的衰减仅为3%,说明所制备的Ag/Cu_2O/Cu样品具有优异的电催化析氢性能以及稳定性。(2)采用低温液相法,以氢氧化钠为反应物,制备了Ag/CuO/Cu复合电极材料。在此基础上以次亚磷酸钠为磷源对其进行磷化,制备了Ag/Cu_3P/Cu复合电极材料,考察了次亚磷酸钠用量、磷化温度对其电催化性能的影响。电化学测试表明:磷化后样品在催化电流密度达到10 mA/cm~2时的过电位仅为101 mV vs RHE,且Tafel斜率仅56 mV/dec,此外磷化后样品的双电层电容高达47.1 mF/cm~2,说明磷化后所制备的Ag/Cu_3P/Cu样品具有更优秀的电催化析氢性能。(3)使用硝酸铜作为铜源,丙烯酰胺为结构导向剂,通过水热法一步合成独特的蝴蝶状CuO多级结构,该多级结构由超薄纳米片组装而成。考察了反应温度以及反应物用量对其电催化性能的影响。电化学测试表明该电极材料表现出优异的电催化析氧和电催化析氢性能,10 mA/cm~2电流密度对应的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)过电位分别为330 m V vs RHE以及172 m V vs RHE,是一种优良的双功能电催化水分解材料。通过I-t测试结果可知,样品具有良好的稳定性。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【图文】：

析氢,工业,途径,甲烷重整

氢气不是自然存在于地球上的。因此，需要通过一定工艺制备氢气。目前工业生产氢气的途径主要分为三类，蒸汽甲烷重整、煤气化以及电解水(图1-1)[3]。其中，蒸汽甲烷的转化和煤气化的产量约占整个氢产量的95 %以上，而电解水只占氢气产量的4 %左右。显然，现阶段工业化产氢还很大程度上依赖化石类不可再生能源。但这种基于化石燃料的制氢技术不能真正的解决目前迫在眉睫的环境污染和二氧化碳排放问题。在蒸汽甲烷重整析氢的过程中，碳氢化合物在高温下能与水发生反应，产生氢气的同时也将排放出大量的二氧化碳气体。二氧化碳作为一种温室气体最终被释放到大气中。显而易见，蒸汽甲烷重整生产氢气的方法不仅增加了空气污染的程度，还进一步促进全球变暖。在这三种主要的生产氢气的方法中

原理图,电解槽,原理图,电催化

了金属电极析氢活性。这些分子水平的思考促进了电催化前进的脚步。1.3 电催化体系的概述图1-2是典型的电催化析氢示意图，反应体系由三部分组成构成:电解质，阴极和阳极。在阴极和阳极上分别含有氢反应催化剂(HEC)和氧反应催化剂(OEC)，

电催化剂,元素,催化剂,过渡金属催化剂

1.4 电解水催化剂的材料图1-3显示了一些常用的HER催化剂元素，根据他们自身的物理和化学性质，可大致分为三类：(1)贵金属类催化剂，如金属铂(Pt)；(2)过渡金属催化剂，包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、钼(Mo)和钨(W)等；(3)非金属元素催化剂，包括硼(B)、碳(C)、氮(N)、磷(P)、硫(S)和硒(Se)等。

【参考文献】