MOFs衍生物锚定贵金属团簇的构筑及其析氢性能研究
发布时间：2021-03-31 18:50
氢气具有较高的能量密度(120 MJ kg-1),是一种高效、环保的能源介质。电化学水分解可获得氢气,但发展高效、廉价、稳定的析氢反应（HER）电催化剂是实现大规模实际应用的关键。铂（Pt）因其优异的电化学活性和稳定性,至今仍是最先进的电催化剂之一。然而,由于Pt资源稀缺,价格昂贵,这大大阻碍了其商业化。近年来,人们致力于开发Pt基催化剂的替代品,如过渡金属及其化合物（硫化物、硒化物和磷化物）催化剂。然而,相对于Pt基催化剂,这类催化剂仍存在过电位高,电流密度较低,且合成过程复杂,污染环境等问题。因此,需要设计具有高活性和稳定性的低贵金属载量的新型催化剂,以实现低成本的实用制氢。在本文中,以金属有机框架材料（Metal-Organic Frameworks,MOFs）为基体,创新性地设计和合成了锚定在MOFs衍生的氮掺杂碳材料上的钴单原子和贵金属钌团簇复合型催化剂（Ru@Co-SAs/N-C）,制备过程包括两个步骤:（1）在预先设计的双金属ZnCo-ZIF热解生成氮掺杂碳上锚定Co单原子（Co-SAs/N-C）;（2）在Co-SAs/N-C存在的情况下,将Ru金属...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解水制氢原理示意图[2]
5H2O→1/2O2+2H++2e-（阳极反应）(1-5)在碱性或中性条件下：H2O+e-→1/2H2+OH-（阴极反应）(1-6)2OH-→1/2O2+H2O+2e-（阳极反应）(1-7)科研工作者将水的电解过程看作为两个半反应，即在阳极上进行的氧化析氧反应（Oxygenevolutionreaction，OER），其热力学理论平衡电位为1.23V（vsRHE，Reversiblehydrogenelectrode），以及在阴极上发生的还原析氢反应（Hydrogenevolutionreaction，HER），其热力学理论平衡电位为0V（vsRHE）[16]。如图1-2所示。尽管水在理论状态下分解电压是1.23V[17]，但由于各种电阻因素以及极化产生过电势的影响，实际上电解水需要的外加电压比理论条件下大得多，约为1.8~2.0V。图1-2电解水析氢、析氧半反应极化曲线[18]Figure1-2Polarizationcurvesofhydrogenevolutionandoxygenevolution.目前，科研工作者通过减小电解水过程中产生的电阻和电极极化电势，来实现电流利用效率最大化和能耗最小化。影响电解水产生电阻的因素有很多，例如电解槽的制作材料、形状、大小以及电解液的不同。在工业电解水制氢过程中，为了降低由电阻产生的副作用以及损失，通常选取强碱水溶液作为电解液。图1-3是碱性条件下电解水示意图。电极材料的自身特性和表面状态均是影响电极极化电势的关键因素。近年来，研究人员致力于研究新型高效的电解水析氢催化剂，来提高电解水产氢的效率。
6图1-3碱性条件下电解水示意图[18]Figure1-3Schematicillustrationofalkalinewaterelectrolysis.1.3金属有机框架材料(MOFs)金属有机框架材料（简称MOFs）是通过配位键的形式连接而形成的无限延伸的多孔三维晶体材料[19]。金属有机框架材料的孔隙率高和比表面积大特性，再加上其结构中有机组分和无机组分的异常多变性，使MOFs在清洁能源方面具有潜在的应用价值，最主要的是可以作为氢气和甲烷等气体的储存介质，以及满足各种分离需要的高容量吸附剂。目前，MOFs在薄膜、薄膜器件、催化和生物医学成像等方面的其他应用也越来越重要[20]。MOFs由于独特的结构、丰富多样的功能性质，在催化反应、气体吸附及分离、能量转换及储存等领域都十分重要。到目前为止，科研工作者发现了许多使用不同的有机配体和金属离子配位连接形成的MOFs，其种类个数已经超过两万[21]。因此，选取不同的中心离子或配体，可以从根本上改变MOFs的结构、比表面积、孔隙率以及电化学性能。而且新型MOFs的研究也取得了突破性进展。例如，传统上认为MOFs材料的导电性较差，这阻碍了它们在电催化领域的发展。近年来，随着对MOFs的研究，已有课题组报道MOFs被用作活性储能电极材料[22]。不同配体和离子形成的MOFs不仅具有各种各样的结构，形貌也是千姿百态（图1-4）。MOFs的衍生材料的形貌包括零维量子点或者纳米粒子、一维纳米杆/纳米管、二维纳米片和三维块状纳米复合物，它们能够独立生长，也可以在不同的衬底上生长。
【参考文献】：
博士论文
[1]基于金属有机框架化合物设计制备碳基纳米材料及其在电催化领域的应用[D]. 杨阳.中国科学技术大学 2018
[2]镍钴基氧族催化电极的制备及其电解水性能研究[D]. 吴晓琳.浙江大学 2018
硕士论文
[1]杂原子掺杂的新型多孔碳材料的制备及其在电化学催化方面的应用[D]. 朱朕.长春理工大学 2017
[2]碱性电解水析氢电极研究[D]. 徐超.湖南大学 2011
本文编号：3111908
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解水制氢原理示意图[2]
5H2O→1/2O2+2H++2e-（阳极反应）(1-5)在碱性或中性条件下：H2O+e-→1/2H2+OH-（阴极反应）(1-6)2OH-→1/2O2+H2O+2e-（阳极反应）(1-7)科研工作者将水的电解过程看作为两个半反应，即在阳极上进行的氧化析氧反应（Oxygenevolutionreaction，OER），其热力学理论平衡电位为1.23V（vsRHE，Reversiblehydrogenelectrode），以及在阴极上发生的还原析氢反应（Hydrogenevolutionreaction，HER），其热力学理论平衡电位为0V（vsRHE）[16]。如图1-2所示。尽管水在理论状态下分解电压是1.23V[17]，但由于各种电阻因素以及极化产生过电势的影响，实际上电解水需要的外加电压比理论条件下大得多，约为1.8~2.0V。图1-2电解水析氢、析氧半反应极化曲线[18]Figure1-2Polarizationcurvesofhydrogenevolutionandoxygenevolution.目前，科研工作者通过减小电解水过程中产生的电阻和电极极化电势，来实现电流利用效率最大化和能耗最小化。影响电解水产生电阻的因素有很多，例如电解槽的制作材料、形状、大小以及电解液的不同。在工业电解水制氢过程中，为了降低由电阻产生的副作用以及损失，通常选取强碱水溶液作为电解液。图1-3是碱性条件下电解水示意图。电极材料的自身特性和表面状态均是影响电极极化电势的关键因素。近年来，研究人员致力于研究新型高效的电解水析氢催化剂，来提高电解水产氢的效率。
6图1-3碱性条件下电解水示意图[18]Figure1-3Schematicillustrationofalkalinewaterelectrolysis.1.3金属有机框架材料(MOFs)金属有机框架材料（简称MOFs）是通过配位键的形式连接而形成的无限延伸的多孔三维晶体材料[19]。金属有机框架材料的孔隙率高和比表面积大特性，再加上其结构中有机组分和无机组分的异常多变性，使MOFs在清洁能源方面具有潜在的应用价值，最主要的是可以作为氢气和甲烷等气体的储存介质，以及满足各种分离需要的高容量吸附剂。目前，MOFs在薄膜、薄膜器件、催化和生物医学成像等方面的其他应用也越来越重要[20]。MOFs由于独特的结构、丰富多样的功能性质，在催化反应、气体吸附及分离、能量转换及储存等领域都十分重要。到目前为止，科研工作者发现了许多使用不同的有机配体和金属离子配位连接形成的MOFs，其种类个数已经超过两万[21]。因此，选取不同的中心离子或配体，可以从根本上改变MOFs的结构、比表面积、孔隙率以及电化学性能。而且新型MOFs的研究也取得了突破性进展。例如，传统上认为MOFs材料的导电性较差，这阻碍了它们在电催化领域的发展。近年来，随着对MOFs的研究，已有课题组报道MOFs被用作活性储能电极材料[22]。不同配体和离子形成的MOFs不仅具有各种各样的结构，形貌也是千姿百态（图1-4）。MOFs的衍生材料的形貌包括零维量子点或者纳米粒子、一维纳米杆/纳米管、二维纳米片和三维块状纳米复合物，它们能够独立生长，也可以在不同的衬底上生长。
【参考文献】：
博士论文
[1]基于金属有机框架化合物设计制备碳基纳米材料及其在电催化领域的应用[D]. 杨阳.中国科学技术大学 2018
[2]镍钴基氧族催化电极的制备及其电解水性能研究[D]. 吴晓琳.浙江大学 2018
硕士论文
[1]杂原子掺杂的新型多孔碳材料的制备及其在电化学催化方面的应用[D]. 朱朕.长春理工大学 2017
[2]碱性电解水析氢电极研究[D]. 徐超.湖南大学 2011
本文编号：3111908
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