碳基氧电极双功能催化剂和氢析出催化剂的合成与性能研究
发布时间：2021-02-03 20:12
锌-空气电池、燃料电池和水电解产氢等能源存储或转换设备及技术因具有解决能源问题的潜力而备受关注。而氧电极反应或氢析出反应则是这些技术的核心,本质上,这些电化学反应的动力学过程极为缓慢,从而导致相应的能源设备或技术的效率低下,不足以满足实际需求。截止目前,人们通常用铂族贵金属、二氧化钌或二氧化铱为催化剂,用以加大上述电化学反应的速率。可使用成本高昂这一问题,使得贵金属催化剂的使用不具备可持续性。基于此,寻找性能优异且价格低廉的催化剂便成为解决催化剂成本困境的一个主要方向。在多种非贵金属催化剂中,非金属碳基催化剂最能满足成本效益要求,在对其进行结构和成分调整之后,这类催化剂将具备优异的电催化性能,被认为是一种极具潜力的低成本电催化剂。本论文利用简单高效的方法,从调整碳基底的结构和成分的角度出发,合成了具有良好的催化活性的氧电极双功能催化剂和氢析出催化剂。（1）利用聚多巴胺与活化碳布之间的静电结合作用,制得氮氧共掺杂碳布（N,O-CC）的前驱体,通过前驱体的热解得到富含N、O杂原子、孔洞和缺陷的氮氧共掺杂碳布（N,O-CC）。电化学测试结果表明,经结构优化得到的N,O-CC在碱性电解液中显示...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１典型的锌－空气电池结构［１９］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１．?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ａ?ｔｙｐｉｃａｌ?Ｚｎ－ａｉｒ?ｂａｔｔｅｒｙ［１９］．??
?北京化工大学硕士研宂生学位论文???１．３电解水制氢??虽然，氢气（Ｈ２）已是一种被广泛认可的优质能源。但当前，氢气主要来??自天然气和／或甲醇在高温下的蒸汽重整此外，很难通过消除重整过程中的??一氧化碳来纯化所获得的氢气，并且在电化学能量装置使用氢气时，所含的一??氧化碳将会损害其中的电催化剂，特别是贵金属的电催化剂。??电解水主要是利用各种能源，如风能、水能、太阳能等产生的电能使水分??解，利用这种方式产氢被认为是替代化石燃料燃烧的清洁、有效和可持续的策??略。因为在整个循环中，水既是唯一的反应物，又是副产物。Ｈ２燃烧便能释放??能量，并再生成水。因此，它被认为是“核心清洁能源技术”?［２（）］。??１．３．１电解水制氢原理??酸性条件下，电解水产生氧气和氢气的过程如图１－２所示，该过程与氢氧??燃料电池反应的逆过程一样，具体反应如下［２〃２］：??氧析出反应：２Ｈ２０?＋?４ｅ－?—?４Ｈ＋?＋?０２?（１－９）??氢析出反应：４Ｈ＋?＋?４ｅ－?—?２Ｈ２?（１－１０）??总反应为：２Ｈ２０?—?２Ｈ２?＋?〇２?（１－１１）??Ｃａｔｈｏｄｅ?Ｌ?Ｊ?Ａｎｏｄｅ??，４?ｋｆ??Ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｓｅｐａｒａｔｏｒ??图１－２电解水示意图［２３］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２．?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｗａｔｅｒ?ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ１２３＾??在电解水的过程中，氢析出和氧析出的动力学过程非常缓慢，是电能损耗??的主要原因。在电极表面施加催化剂或者直接使用催化剂为电极，能够促进电??极反应，提高电解水产氢的效率。??４??
Ｓ－ＣＮＳ），将聚合得到的氨基狐进行热解之后得到这种材料。Ｐ，Ｓ－ＣＮＳ??具有很高的双功能催化活性、稳定性以及优异的锌－空气电池充放电性能。他们??的工作为开发非金属双功能催化剂提供了一种有效的途径。使得非金属高分子??和含碳物质制成的催化剂替代贵金属催化剂成为可能。??１．４．３．２电催化析ｆｔ反应的催化剂??由析氢反应的机理可知，催化剂的氢吸附能力是影响其活性的决定性因素。??经过多年的研究和总结，人们发现析氢反应交换电流与金属的氢吸附吉布斯自??由能（ＡＧｈ）之间的关系，由图１－５可知，曲线呈现出火山型。贵金属怕（Ｐｔ）、??钯（Ｐｄ）、铷（Ｒｈ）是最好的金属ＨＥＲ催化剂。但是，基于成本效益原则，人??们开发了过渡金属和非金属这两类ＨＥＲ催化剂。??－１?－Ｉ???ｆ?＊３－?Ｒｅ＊??卜??＾?－５－?＼?＼?〇Ａ??ｇ＞?－６－?＾?Ｃ７?Ｃｕ＼??Ｊ?－７－?＇?Ｍ?？／?＼?８Ａｕ（１１１）??■８?Ｉ?．?ｉ?■?／?＼?Ｉ?ｉ?．??－０．６?－０．４?－０．２?０．０?０．２?０．４?０．６??／?（ｅＶ）??图１－５各种纯金属的交换电流密度与金属－氢键的氢吸附能（ＡＧＨ）的关系［７４］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５．?Ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ａｓ?ａ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ??ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ?（ＡＧＨ）?ｏｆ?ｍｅｔａｌ－ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｂｏｎｄｓ?ｆｏｒ?ｖａｒｉｏｕｓ?ｐｕｒｅ?ｍｅｔａｌｓＩ７４ｌ??ｉ）贵金属类??怕（Ｐｔ）是目前最好的ＨＥＲ催化剂，在酸性条件下，其析氢过电势为〇［７５］。??但是它
【参考文献】：
期刊论文
[1]可充电锌空气电池的双功能电催化剂（英文）[J]. 郭一博,陈亚楠,崔会娟,周震. Chinese Journal of Catalysis. 2019(09)
[2]电催化析氧反应过渡金属磷化物和硫化物催化剂研究进展（英文）[J]. 彭立山,SyedShoaib Ahmad Shah,魏子栋. 催化学报. 2018(10)
硕士论文
[1]基于非贵金属掺杂的碳基氧还原催化剂及能源器件的应用研究[D]. 朱磊峰.北京化工大学 2019
[2]4H-SiC（0001）表面缺陷结构与电子性质理论研究[D]. 邵桢威.江苏大学 2016
本文编号：3017088
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１典型的锌－空气电池结构［１９］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１．?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ａ?ｔｙｐｉｃａｌ?Ｚｎ－ａｉｒ?ｂａｔｔｅｒｙ［１９］．??
?北京化工大学硕士研宂生学位论文???１．３电解水制氢??虽然，氢气（Ｈ２）已是一种被广泛认可的优质能源。但当前，氢气主要来??自天然气和／或甲醇在高温下的蒸汽重整此外，很难通过消除重整过程中的??一氧化碳来纯化所获得的氢气，并且在电化学能量装置使用氢气时，所含的一??氧化碳将会损害其中的电催化剂，特别是贵金属的电催化剂。??电解水主要是利用各种能源，如风能、水能、太阳能等产生的电能使水分??解，利用这种方式产氢被认为是替代化石燃料燃烧的清洁、有效和可持续的策??略。因为在整个循环中，水既是唯一的反应物，又是副产物。Ｈ２燃烧便能释放??能量，并再生成水。因此，它被认为是“核心清洁能源技术”?［２（）］。??１．３．１电解水制氢原理??酸性条件下，电解水产生氧气和氢气的过程如图１－２所示，该过程与氢氧??燃料电池反应的逆过程一样，具体反应如下［２〃２］：??氧析出反应：２Ｈ２０?＋?４ｅ－?—?４Ｈ＋?＋?０２?（１－９）??氢析出反应：４Ｈ＋?＋?４ｅ－?—?２Ｈ２?（１－１０）??总反应为：２Ｈ２０?—?２Ｈ２?＋?〇２?（１－１１）??Ｃａｔｈｏｄｅ?Ｌ?Ｊ?Ａｎｏｄｅ??，４?ｋｆ??Ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｓｅｐａｒａｔｏｒ??图１－２电解水示意图［２３］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２．?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｗａｔｅｒ?ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ１２３＾??在电解水的过程中，氢析出和氧析出的动力学过程非常缓慢，是电能损耗??的主要原因。在电极表面施加催化剂或者直接使用催化剂为电极，能够促进电??极反应，提高电解水产氢的效率。??４??
Ｓ－ＣＮＳ），将聚合得到的氨基狐进行热解之后得到这种材料。Ｐ，Ｓ－ＣＮＳ??具有很高的双功能催化活性、稳定性以及优异的锌－空气电池充放电性能。他们??的工作为开发非金属双功能催化剂提供了一种有效的途径。使得非金属高分子??和含碳物质制成的催化剂替代贵金属催化剂成为可能。??１．４．３．２电催化析ｆｔ反应的催化剂??由析氢反应的机理可知，催化剂的氢吸附能力是影响其活性的决定性因素。??经过多年的研究和总结，人们发现析氢反应交换电流与金属的氢吸附吉布斯自??由能（ＡＧｈ）之间的关系，由图１－５可知，曲线呈现出火山型。贵金属怕（Ｐｔ）、??钯（Ｐｄ）、铷（Ｒｈ）是最好的金属ＨＥＲ催化剂。但是，基于成本效益原则，人??们开发了过渡金属和非金属这两类ＨＥＲ催化剂。??－１?－Ｉ???ｆ?＊３－?Ｒｅ＊??卜??＾?－５－?＼?＼?〇Ａ??ｇ＞?－６－?＾?Ｃ７?Ｃｕ＼??Ｊ?－７－?＇?Ｍ?？／?＼?８Ａｕ（１１１）??■８?Ｉ?．?ｉ?■?／?＼?Ｉ?ｉ?．??－０．６?－０．４?－０．２?０．０?０．２?０．４?０．６??／?（ｅＶ）??图１－５各种纯金属的交换电流密度与金属－氢键的氢吸附能（ＡＧＨ）的关系［７４］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５．?Ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ａｓ?ａ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ??ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ?（ＡＧＨ）?ｏｆ?ｍｅｔａｌ－ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｂｏｎｄｓ?ｆｏｒ?ｖａｒｉｏｕｓ?ｐｕｒｅ?ｍｅｔａｌｓＩ７４ｌ??ｉ）贵金属类??怕（Ｐｔ）是目前最好的ＨＥＲ催化剂，在酸性条件下，其析氢过电势为〇［７５］。??但是它
【参考文献】：
期刊论文
[1]可充电锌空气电池的双功能电催化剂（英文）[J]. 郭一博,陈亚楠,崔会娟,周震. Chinese Journal of Catalysis. 2019(09)
[2]电催化析氧反应过渡金属磷化物和硫化物催化剂研究进展（英文）[J]. 彭立山,SyedShoaib Ahmad Shah,魏子栋. 催化学报. 2018(10)
硕士论文
[1]基于非贵金属掺杂的碳基氧还原催化剂及能源器件的应用研究[D]. 朱磊峰.北京化工大学 2019
[2]4H-SiC（0001）表面缺陷结构与电子性质理论研究[D]. 邵桢威.江苏大学 2016
本文编号：3017088
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