碳化钼基电催化剂的设计及性能研究

发布时间：2021-04-14 04:13

　　在众多制氢反应中,电解水析氢反应（HER）被认为是原位制备高纯度氢气的高效、便捷、绿色的有效方法之一。开发新型高性能的HER催化剂是该技术的核心要务。由于碳化钼表面的特殊电子结构,被广泛认为是具潜力取代目前商业Pt/C的催化剂。但由于碳化钼基催化剂的Mo-H键键能过强导致H难以脱附,使得其在HER反应中碳化钼本征性能仍然较低。因此,对碳化钼基催化材料改性是提高其催化性能重要的环节。针对上述问题,本文从碳化钼表面负载金属改性、空穴-金属双调控Mo₂C表面电子结构以及Mo₂C形貌可控合成三个方面入手提高碳化钼基催化剂的HER性能,工作简要如下:（1）负载金属对碳化钼的HER催化性能影响:采用有机-无机杂化法及原位高温碳化法,合成制备出高分散的碳化钼负载金属M（2%M/Mo C,M=Fe,Co,Ni,Cu,Ag,Pt）催化剂。表征结果显示,催化剂样品呈线状结构,由粒径为3-10 nm的Mo₂C纳米颗粒组成。HER测试结果显示,金属负载样品的过电位均小于β-Mo₂C,其中2%Pt/Mo C表现出最优活性(η... 

【文章来源】：广东工业大学广东省

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【学位级别】：硕士

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氢燃料电池示意图

第一章绪论3溶液时，发现在两极有氢气(H2)和氧气(O2)析出,这是人类史上第一次电解水的尝试。时至今日，电解水制氢技术已工业化，例如苏州竞立制氢设备有限公司，考克利尔竞立氢能科技有限公司已有规模化的碱性电解水制氢装置。1.2电解水析氢反应机理完整的水电解槽由电解液，离子交换膜，阳极催化层和阴极催化层四个部分组成。在实验过程中，为了加速水的阴极分解，阴极HER催化剂和阳极OER催化剂涂覆于阴极/阳极催化层。当施加外加电压于电极后，水分子会被电解成为氢气/氧气。电解槽原理如下图1-2所示，反应方程式见Eq.1-1到Eq.1-3。图1-2水电解槽原理Figure1-2Schematicdiagramofwaterelectrolyze阴极：2H+(aq)+2e-→H2(g)(Eq.1-1)阳极：2H2O(l)→O2+4H+(aq)+4e-(Eq.1-2)总反应：2H2O(l)→2H2+O2(Eq.1-3)

广东工业大学硕士学位论文6理论计算出常见材料ΔGH从而得到j0(交换电流密度值，A/cm2)的火山型曲线[34-37]。该曲线服从Sabatier原理，如果材料的ΔGH较大的同时又较负(例：金属Mo,W,Nb等)，Hads与电极表面吸附太过牢固，Volmer步骤很容易发生，但是过多的Hads会阻塞活性位点，导致Heyrovsky和Tafel步骤不易发生，氢难以脱附；相反，如果ΔGH较大的同时又较正(例如：金属Zn,Hg和Sn等)，会导致Hads与电极表面的催化剂吸附太弱，Volmer步骤发生缓慢，氢质子难以吸附。图1-4使用DFT计算不同材料ΔGH得到j0的火山型曲线[28]Figure1-4Volcanoplotofexperimentallymeasuredj0asafunctionoftheDFT-calculatedΔGHofadsorbedatomichydrogen[34]基于以上电化学原理分析可以推测，一种理想的氢析出催化剂须具备接近于0的ΔGH值，使得H的吸附与脱附速率均衡；适当的表面物理性质，例如比表面积，反应活性位点等。


本文编号：3136636