SPE水电解阳极催化剂载体的研究

发布时间：2020-10-01 18:34

　　氢气被称为未来的理想燃料和能量载体。固体聚合物电解质水电解槽(Solid Polymer Electrolyte Water Electrolyzer,SPEWE)由于具有效率高、产品纯度高、适应性强等优点,不仅被认为是比传统的碱性电解水技术更具有优势的制氢技术,而且也被认为是一个潜在的解决电力产能过剩问题的方案,可有效缓解“弃风弃电”难题。但是,它的广泛应用受限于金属铱的价格和用量。因此迫切需要减少铱的用量来使SPEWE技术得到大规模的工业应用。本文从降低催化剂的负载量、提高催化剂的析氧活性和稳定性方面着手,引入载体,主要对TiO_2载体的制备及其在SPE水电解阳极催化剂方面的应用进行了研究。采用溶剂挥发自组装法合成TiO_2载体,考察了去模板剂P123温度和模板剂P123与钛源摩尔比对TiO_2载体表面结构及其晶型的影响;同时也利用了亚当斯熔融法制备负载型催化剂,考察了V掺杂量和负载量对TiO_2载体表面结构及晶型的影响。采用XRD、BET、TEM、XPS等测试方法对催化剂的晶体结构、形貌和表面元素组成进行分析,利用电化学方法对催化剂的析氧活性进行测试,采用计时电流的方法对催化剂的稳定性进行评价。实验结果如下。(1)随着去模板剂温度的升高,TiO_2载体的比表面积减小,孔径随之增大。但是随着P123与钛源的摩尔比的增加,载体TiO_2的比表面积不断增大,孔径减小。当以去模板剂P123的温度为350℃、模板剂P123与钛源摩尔比为0.03制备出的TiO_2为载体,制备40wt%IrO_2负载量的催化剂,其析氧活性和稳定性都优于纯IrO_2。TiO_2载体能够提高IrO_2颗粒的分散度,形成连续的导电层,增大活性点数量,有效的利用IrO_2颗粒,提高催化剂的析氧活性。(2)V掺杂的负载型催化剂实验结果表明,当V掺杂浓度为20at%时,有助于提高析氧反应中质子的传导能力,加快活性位点的更新和减少IrO_2氧化覆盖,从而提高V掺杂负载型催化剂的析氧活性。以Ti_(0.8)V_(0.2)O_2为载体,制备不同IrO_2负载量的V掺杂负载型催化剂,结果表明,当电极电势为1.7V时,负载量为40wt%的负载型催化剂的电流密度大于纯IrO_2,远远优于纯IrO_2的析氧活性,其稳定性也优于纯IrO_2。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TQ116.2
【部分图文】：

全球能源,能量来源

命不可或缺的无形货币。预计到 2030 年世界人口将达到约5 年能源消耗将增长 34％，近三分之一的能源消费预计增长将经济快速增长的结果[1]。源需求的主要部分是通过传统能源来长期实现的，传统燃料展的核心能源。如图 1-1 所示[2]，虽然煤炭减少了使用量并且十几年内将会有所发展，但全球能源生产中石油和天然气综与过去二十年相似。化石燃料过度依赖能源生产的趋势威胁续性。化石燃料不仅分配不均，耗尽速度快，而且还破坏了衡。气候变化和能源安全已成为本世纪最大的担忧。目前大为，温室气体（greenhouse gases ，GHG）的过度排放是造成候变化现象的主要原因，因为目前的经济发展是基于对能源量使用。根据国际能源署( International Energy Agency，IEA）排放量将从 2030 年 50％增加到 2050 年 80％[3-4]。而且中东不的巨大份额的存在带来了风险，并引发了不同国家在能源供面的担忧。

能量,再生能源,可再生能源,水电解制氢

图 1-2 生产氢气所需能量的来源分布g.1-2 Primary energy distribution through the soufor the production of hydrogen[7]再生能源进行水电解生产，预计将在绿色能源明显优点是效率高，所产生的氢气的纯度很高池。此外，高纯氧是水电解过程中有价值的副温炉，电炉和玻璃熔化等）的利用率，可能会电解以外，还有几种制氢的方法已经开发出来光电化学水分解[9-10]等。但是，水电解是唯一成的技术。十年里，不断上涨的电价阻碍和/或推迟了水电再生能源的能源增长，如光伏和风力涡轮机等情况下，水电解制氢不仅可以可再生能源为动且也克服了可再生能源典型的间歇性。水电解

示意图,电解槽,工作原理,示意图

但是在实际水电解过程中，因为 HER 和 OER 涉及多电子转移步骤，而且电子转移步骤引起能量障碍的累积，从而使电解水具有缓慢的动力学和较大的反应电位，电能发生损耗，使得实际水电解的电压远大于 1.23V。根据工作温度和所用电解质的类型不同，可以区分为三种不同类型的水电解电池[11]：碱性水电解（Alkaline water electrolysis）、固体氧化物水电解（Solid oxide water electrolysers，SOEC）和固体聚合物水电解（Solid polymer water electrolysis ，SPE）。如图1-2 所示为这三种电解槽的反应机理。

【参考文献】