过渡金属复合电催化剂的设计、合成及电解水催化性能研究

发布时间：2021-02-16 21:08

　　氢是一种洁净、高效的二次能源载体,其与一次可再生能源耦合应用有望根本性解决能源短缺、环境污染等全球性问题。利用太阳能、风能、潮汐能等一次绿色能源产生的电能分解水,在提供可持续制氢方式的同时,为可再生能源的有效利用提供了可行性方案,而实现这一愿景的关键在于发展高效能电解水技术。电解水涉及析氢反应（HER）和析氧反应（OER）两个半反应。贵金属Pt和Ir基、Ru基氧化物分别因其优异的HER、OER活性而为人们所熟知,但因资源稀缺和成本高昂,这些贵金属催化剂难以得到广泛的技术应用。数十年来,各国研究人员积极致力于研发高效、低成本的HER/OER催化剂,在创制新材料、发展制备技术和深化机理认识等方面取得了积极进展,但现有催化剂的催化性能仍远低于实用要求。因此,研制高性能、低成本的HER/OER电催化剂用于降低反应能耗仍是推进电解水技术实用化进程中亟待解决的关键问题。基于此研究现状,本文以贵金属Pt以及非贵过渡金属磷化物、硼化物为研究对象,重点围绕高效、低成本电解水催化剂的设计与制备、催化剂相组成-结构-性能的关联性等科学/技术问题展开研究,取得主要进展如下:（1）在密度泛函理论计算结果的指导下... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：139 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

电解水系统示意图[2]

而在碱性电解质中,?GH*仍可用于描述碱性HER中氢中间体在催化剂表面的吸附行为。然而,研究人员在研究标杆的Pt催化剂中发现,其在碱性条件下的HER催化性能明显不如在酸性条件下的活性[11]。造成这种活性差异最重要的原因之一是碱性HER通过不同于酸性溶液的基元步骤进行。在碱性介质中,由于缺乏质子H+,HER首先将H2O分子解离而获得质子[12]。碱性HER涉及不同于酸性HER的Volmer(水解离)步骤(如方程式(1-4))以及Heyrovsky(氢复合脱附)步骤(如方程式(1-5))。因此,设计、制备有效的碱性HER催化剂需兼顾适中的氢吸附自由能?GH*和解离H2O所需的能量[7]。1.2.3 电化学析氧反应机理与理论研究

在理论研究方面,Man等通过DFT计算研究了各种氧化物的活性起源,确定了HOO*和HO*的结合能之间的通用比例关系,从而引入了一个单一的描述符(ΔGO*-ΔGHO*)对OER活性进行了通用描述[14]。Seh等参照这个简单的描述符绘制出多种金属氧化物的OER活性图,其结果显示在1 mA cm-2cat处的实验过电势能很好地叠加在理论过电势火山曲线图上(如图1-4)[15]。这个单一描述符成功地解释了各催化剂OER性能之间差异的本质,并为设计性能优异的OER电催化剂提供了理论指导依据。1.3 电化学析氢反应电催化剂及其研究现状


本文编号：3036933