钴、镍基纳米材料的制备及其电催化水分解的应用研究

发布时间：2020-09-01 09:29

　　 目前,由于化石燃料储量的急剧枯竭及其燃烧所造成的生态环境问题日益严重,使人们逐渐意识到可持续发展的重要性。开发清洁可再生能源比如太阳能、风能、潮汐能、氢能等,用来代替传统的化石能源成为一种行之有效的解决方案。其中,氢能由于拥有较高的燃烧热值、储量丰富且容易获得、具有可再生性且燃烧产物绿色无毒,易于储存且便于运输,因此被认为是未来能源格局中最理想的能源载体。而电解水法制氢是获得高纯度氢气,并用于未来应用的最有效的途径。传统的水分解反应包含水的氧化过程(OER)和水的还原过程(HER),且两个反应过程均需要较高的过电势才能达到其预期的反应效率,这就导致了整个电解水反应所需的实际外加电压远大于其理论值(1.23 V)。因此,发展高效的OER和HER催化剂以降低反应所需的过电势,提高整个水分解反应的能量转化效率就成为了当前清洁能源领域研究的重点。目前经研究已证实,基于金属铂的一类材料是性能最好的HER催化剂,而基于金属钌和金属铱的一类氧化物材料如Ru02和Ir02是一类性能最好的OER催化剂,但该类材料属于贵金属材料,其储量不足,且价格太过昂贵,因此极大的限制了其在工业生产中广泛的应用。因此,研究者的目光就转向为成本较低、储量较为丰富的第一过渡周期金属元素上。基于此,本论文以第一过渡周期金属元素组成的化合物为前提,以提高电解水反应的转化效率为宗旨,采用不同的制备手段,旨在构建高活性、高稳定性的OER、HER以及全电解水的双功能催化剂,主要研究内容包括以下几个方面:1.在表面活性剂PVP(K30)作用下,通过一种简单温和、高效的共沉淀的方法,首先制备出了 Co3(OAc)5(OH)的柱状结构。然后经过在不同温度下经过煅烧处理,最终得到了大小均一,分布均匀且多孔型的CoO微米柱材料。实验结果表明,经过200 ℃煅烧处理得到的CoO-200样品是碱性条件下最为稳定的且具有高活性的OER催化剂。催化电流密度达到10mA·cm-2时的过电势只有280 mV。2.采用简单、快速的电化学原位沉积法,在三维碳纤维布基底上原位沉积了一层NiSe-EA/CC薄膜。这种简单的电化学沉积法取代了传统复杂的高温硒化过程并且有效的避免了有毒气体硒化氢(H2Se)的释放。实验结果表明该NiSe-EA/CC薄膜在碱性电解液中同时对析氢反应和析氧反应均表现出了优异的电催化活性以及较强的稳定性。当用作全水分解的双功能催化剂时,在两电极系统的电解槽中,当催化电流密度达到10 mA·cm-2时仅需电解槽电压1.53 V。
【学位单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TQ116.21
【部分图文】：

储存在植物体内的生化过程。该过程是地球上最重要的能量转换和物质转换的过逡逑程，是几乎所有生物赖以生存的物质基础和能源基础。逡逑植物的光合作用是一个非常复杂的过程，从过程上可分为光反应阶段和暗反逡逑应阶段，并伴随着一系列电子、质子及能量的转移。如图１－２所示，首先在绿色植逡逑物叶绿体类囊膜上进行的是光反应阶段，在太阳光的作用下，叶绿体中的色素分子逡逑吸收光能使水分子发生分解反应生成氧气和质子，同时在有关酶的催化作用下，促逡逑使ＡＤＰ与Ｐｉ发生化学反应生成ＡＴＰ。在这个过程中经分解得到的氧气以分子的逡逑形式直接释放出去，而质子则被传递到叶绿体内的基质中，为第二个阶段中的化学逡逑反应提供还原剂；同时在ＡＴＰ的合成过程中光能转变为化学能并且储存在ＡＴＰ中，逡逑有效的为第二个阶段中的化学反应中提供了能量。在叶绿体内的基质中则进行的逡逑则是暗反应阶段，植物体的绿叶通过气孔吸收大气中的二氧化碳，由于其化学性质逡逑不活泼不能直接被质子还原，因此它首先必须与植物体内的五碳化合物相互结合逡逑（用Ｃ５表示）形成两个三碳化合物（用Ｃ３表示）。然后在相关酶的催化作用下，逡逑ＡＴＰ分子释放出能量，同时一部分Ｃ３化合物被质子还原，再经过一系列复杂的变逡逑化，形成糖类和其它有机物，从而形成人类生活所需的食物、能源等。当人类消耗逡逑

面上的一种双电子转移的过程且形成了一种催化剂活性中间体Ｈ＊邋（＊表示电极表逡逑面上的活性位点），该过程可通过伏尔默－塔菲尔（Ｖｏｌｍｅｒ－Ｔａｆｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ）和伏尔逡逑默－海洛夫斯基（Ｖｏｌｍｅｒ－Ｈｅｙｒｏｖｓｋｙｍｅｃｈａｎｉｓｍ）两种不同的反应机制实现。如图１－逡逑６逡逑

逦｜Ｃｍａ｜逡逑Ｈ２0」逦６３０１邋Ｃｈｉ邋ｈ逡逑图１－３光系统ＰＳＩ和ＰＳＩＩ及其释氧中心（ＯＥＣ）的结构示意图［３４＿３６］。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．邋１－３邋Ｔｈｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｐｈｏｔｏｓｙｓｔｅｍ邋Ｉ邋ａｎｄ邋Ｐｈｏｔｏｓｙｓｔｅｍ邋ＩＩ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ逡逑ｏｘｙｇｅｎ邋ｅｖｏｌｖｉｎｇ邋ｃｅｎｔｅｒ．逡逑１．３电催化水分解逡逑１．３．１析l,反应逡逑１．３．１．１邋ＨＥＲ反应的机理研究逡逑从２０世纪至今，经过大量的实验研究与理论探索，阴极水的还原反应（ＨＥＲ）逡逑的机理研究已经取得了重大的突破。有关研究者提出了邋ＨＥＲ反应是发生在电极表逡逑面上的一种双电子转移的过程且形成了一种催化剂活性中间体Ｈ＊邋（＊表示电极表逡逑面上的活性位点），该过程可通过伏尔默－塔菲尔（Ｖｏｌｍｅｒ－Ｔａｆｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ）和伏尔逡逑默－海洛夫斯基（Ｖｏｌｍｅｒ－Ｈｅｙｒｏｖｓ

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本文编号：2809565