二硒化钴纳米复合材料的制备及其析氢性能研究
发布时间：2021-03-23 00:54
氢能是取代传统化石燃料的最佳能源之一,电解水一直被认为是获取氢能的理想途径。为了降低获取氢能的成本,开发高经济效益的产氢催化剂迫在眉睫。过渡金属硒化物由于其特殊的物理和化学性质,被认为是潜在的析氢催化剂。在众多硒化物当中,Co Se2拥有良好的催化活性,是极具潜力的产氢催化剂。然而,纯Co Se2化合物过电位高,低稳定性,不适合大规模的工业应用。因此,本文以Co Se2基材料作为研究对象,构建不同的Co Se2基复合材料以降低材料过电位,增强稳定性,最终达到提升材料析氢性能的目的。本文的研究内容主要如下:1、将钼酸钴（Co Mo O4）纳米棒作为前驱体水热得到的Co Se2纳米花状结构与氧化石墨烯复合,进一步水热制备出Co Se2/r GO气凝胶复合材料。Co Se2与石墨烯复合后,可以有效改善Co Se2固有的堆积、团聚,增加活性位点的数目,为电荷提供更多的转移通道。在酸性条件下,复合材料...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
部分常见元素的氢吸附自由能[6]（GH*）
5位附近），进行反复扫描（500圈-5000圈），对比前后的线性扫描曲线以评价材料的稳定性，当线性扫描曲线几乎没有变化时，材料则用良好的稳定性。电化学阻抗可用来分析电极反应动力学以及电极/电解液界面的反应[12]。其中电荷转移电阻（Rct）值的大小与阻抗图中高频区半圆的半径大小成正相关，并且该值越小，材料导电性越好，催化活性越高。而溶液电阻（Rs）等于电化学阻抗曲线中虚部为零时对应实部的绝对值，该值常用于i-R补偿（E=EO-iRs）。在测试过程中，测试的结果会受到对电极以及参比电极的影响，因此，这里简要介绍电极选择的注意事项。对电极可以选择任何导电的惰性材料，常见的有碳棒电极和铂片电极，鉴于铂片在测试过程中会出现溶解并污染工作电极，进而影响测试结果，碳棒电极则成为最常用的对电极。常见的参比电极有Hg/HgO电极、Ag/AgCl电极、饱和甘汞电极、标准氢电极。在酸性条件下，常用饱和甘汞电极和Ag/AgCl电极作为参比电极；而碱性条件下，这两个电极会析出氯离子导致电位发生变化，因此选择Hg/HgO电极作为参比电极。1.3过渡金属硒化物在电解水上的应用目前商业上常用铂基材料作为电解水产氢催化剂，但是它价格昂贵，地球上储量稀少，这严重限制了它在商业上的大规模应用。因此，许多科研人员已经开始致力于开发新的无贵金属产氢催化剂。目前可用于作为产氢催化剂的元素如图1-2所示，分别为贵金属铂、过渡金属元素、非金属元素。由于产氢催化剂需要有一定导电性，并且过渡金属单质无法在电解液下长时间稳定存在，所以过渡金属化合物逐渐被预选为产氢催化剂进行展开研究。图1-2产氢催化剂的组成元素[13]
6有报道指出二硫化钼（MoS2）的边缘在理论上拥有与铂相近的氢吸附自由能，这意味着二硫化钼很有可能作为新的产氢催化剂[14]。而在此之后，有很多关于二硫化钼或者是硫化物的研究陆续被报道出来，不管是理论上还是实验研究都一致得出它们拥有良好的电催化活性[15-17]。如Wang等人采用一步水热法制备了由垂直取向的MoS2超薄纳米薄片在石墨薄片上组装而成的氨插花状电催化剂膜，该种催化剂拥有良好的产氢活性[18]。Wu等人设计了具有高活性位点密度的二维二硫化钼纳米片(NSs)，研究了退火温度对二硫化钼催化剂微观结构和热影响性能的影响，并得出在550℃下获得的MoS2NS电催化剂性能最佳[19]。硒元素与硫元素同在VIA主族，它们有不少共同点（如相同的最外层外电子数），这意味着有类似的化学性质。据报道，与硫原子相比，硒原子有以下优点：1、更小的电离能；2、更显著的金属性（更好的导电性）；3、更大的原子半径[13]。这些优点反映出硒化物比硫化物可能拥有更加优异的电催化活性。近些年来，许多关于过渡金属硒化物的研究逐渐被报道；有报道指出CoSe2是众多硒化物当中催化活性最好的材料[20]。Kong等人在碳纤维纸上生长了CoSe2纳米颗粒（如图1-3）；该电催化剂不仅拥有很低的过电位还拥有很好的长时间稳定性[21]。另外，Gao等人在二硒化钴表面原位生长二硫化钼得出一种反应性强，活性高的催化剂（如图1-4），并表现出极强的析氢活性[22]。图1-3CoSe2的(a)晶体结构图，(b)成品照片，(c)SEM图，(d)高分辨SEM图[21]
本文编号：3094811
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
部分常见元素的氢吸附自由能[6]（GH*）
5位附近），进行反复扫描（500圈-5000圈），对比前后的线性扫描曲线以评价材料的稳定性，当线性扫描曲线几乎没有变化时，材料则用良好的稳定性。电化学阻抗可用来分析电极反应动力学以及电极/电解液界面的反应[12]。其中电荷转移电阻（Rct）值的大小与阻抗图中高频区半圆的半径大小成正相关，并且该值越小，材料导电性越好，催化活性越高。而溶液电阻（Rs）等于电化学阻抗曲线中虚部为零时对应实部的绝对值，该值常用于i-R补偿（E=EO-iRs）。在测试过程中，测试的结果会受到对电极以及参比电极的影响，因此，这里简要介绍电极选择的注意事项。对电极可以选择任何导电的惰性材料，常见的有碳棒电极和铂片电极，鉴于铂片在测试过程中会出现溶解并污染工作电极，进而影响测试结果，碳棒电极则成为最常用的对电极。常见的参比电极有Hg/HgO电极、Ag/AgCl电极、饱和甘汞电极、标准氢电极。在酸性条件下，常用饱和甘汞电极和Ag/AgCl电极作为参比电极；而碱性条件下，这两个电极会析出氯离子导致电位发生变化，因此选择Hg/HgO电极作为参比电极。1.3过渡金属硒化物在电解水上的应用目前商业上常用铂基材料作为电解水产氢催化剂，但是它价格昂贵，地球上储量稀少，这严重限制了它在商业上的大规模应用。因此，许多科研人员已经开始致力于开发新的无贵金属产氢催化剂。目前可用于作为产氢催化剂的元素如图1-2所示，分别为贵金属铂、过渡金属元素、非金属元素。由于产氢催化剂需要有一定导电性，并且过渡金属单质无法在电解液下长时间稳定存在，所以过渡金属化合物逐渐被预选为产氢催化剂进行展开研究。图1-2产氢催化剂的组成元素[13]
6有报道指出二硫化钼（MoS2）的边缘在理论上拥有与铂相近的氢吸附自由能，这意味着二硫化钼很有可能作为新的产氢催化剂[14]。而在此之后，有很多关于二硫化钼或者是硫化物的研究陆续被报道出来，不管是理论上还是实验研究都一致得出它们拥有良好的电催化活性[15-17]。如Wang等人采用一步水热法制备了由垂直取向的MoS2超薄纳米薄片在石墨薄片上组装而成的氨插花状电催化剂膜，该种催化剂拥有良好的产氢活性[18]。Wu等人设计了具有高活性位点密度的二维二硫化钼纳米片(NSs)，研究了退火温度对二硫化钼催化剂微观结构和热影响性能的影响，并得出在550℃下获得的MoS2NS电催化剂性能最佳[19]。硒元素与硫元素同在VIA主族，它们有不少共同点（如相同的最外层外电子数），这意味着有类似的化学性质。据报道，与硫原子相比，硒原子有以下优点：1、更小的电离能；2、更显著的金属性（更好的导电性）；3、更大的原子半径[13]。这些优点反映出硒化物比硫化物可能拥有更加优异的电催化活性。近些年来，许多关于过渡金属硒化物的研究逐渐被报道；有报道指出CoSe2是众多硒化物当中催化活性最好的材料[20]。Kong等人在碳纤维纸上生长了CoSe2纳米颗粒（如图1-3）；该电催化剂不仅拥有很低的过电位还拥有很好的长时间稳定性[21]。另外，Gao等人在二硒化钴表面原位生长二硫化钼得出一种反应性强，活性高的催化剂（如图1-4），并表现出极强的析氢活性[22]。图1-3CoSe2的(a)晶体结构图，(b)成品照片，(c)SEM图，(d)高分辨SEM图[21]
本文编号：3094811
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