质子交换膜（PEM）水电解制氢用新型析氧电极研究

发布时间：2021-05-20 09:16

　　基于质子交换膜的固体聚合物电解质电解水制氢技术（PEM电解水技术）具有能效高、产氢纯度高、高压耐受性好、结构紧凑以及输入电力波动适应性强等优点,尤其适用于可再生能源电力电解制氢。目前限制PEM电解水技术产业化的主要因素为高成本（PEM,催化剂和双极板）以及析氧反应（OER）的高电位,尤其是昂贵的贵金属催化剂。针对这一问题,通过改进阳极催化剂IrO₂的活性和稳定性有利于提升催化剂的性能与耐久性,进而达到节约贵金属用量降低成本的作用。本文选取价格低廉、稳定性好、微结构可控性高的二氧化锡作为催化剂载体。针对其比表面积低、导电性差等不利于析氧反应（OER）的局限性,采用水热法,开展了Co掺杂对二氧化锡载体改性的研究。研究表明,Co掺杂可使所担载的IrO₂颗粒细化,显著增加了IrO₂组分的活性面积,同时加强掺杂的二氧化锡载体与IrO₂颗粒之间的强交互作用,降低了Ir的价态,提升了复合催化剂的活性和耐久性。其中20 at%的Co掺杂可使比表面积增大至131.92 m²·g^-1

【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 电解水制氢技术研究现状
        1.1.1 碱性电解质电解技术
        1.1.2 固体氧化物电解质电解技术
        1.1.3 固体聚合物电解质电解技术
    1.2 PEM电解反应原理
        1.2.1 基本原理
        1.2.2 热力学
        1.2.3 电极反应动力学
    1.3 PEM电极催化剂研究进展
        1.3.1 阳极催化剂研究进展
        1.3.2 阳极催化剂载体
    1.4 本文研究内容
        1.4.1 40IrO_2/Co_xSn_(1-x)O_2 新型催化剂的制备及研究
        1.4.2 IrO_2@RuO_2 新材料制备及研究
        1.4.3 PEM电解池耐久性研究
第2章 实验部分
    2.1 实验材料与设备
        2.1.1 实验材料
        2.1.2 实验设备
    2.2 样品制备
        2.2.1 Co掺杂SnO_2 载体的制备
        2.2.2 负载型催化剂的制备
        2.2.3 核壳IrO_2@RuO_2 的制备
        2.2.4 膜电极(MEA)组件制备
    2.3 表征与分析方法
        2.3.1 物理性能表征
        2.3.2 半电池性能表征
        2.3.3 单电池测试
第3章 Co掺杂二氧化锡载体的性能研究
    3.1 Co掺杂对载体和复合催化剂结构的影响
        3.1.1 晶相结构
        3.1.2 载体介孔结构
        3.1.3 导电性
    3.2 载体Co掺杂对复合催化剂OER催化活性的影响
        3.2.1 OER催化活性表征
        3.2.2 显微与表面表征及载体作用分析
    3.3 载体Co掺杂对复合催化剂单电池性能的影响
    3.4 本章小结
第4章 核壳IrO_2@RuO_2 的性能研究
    4.1 RuO_2 对复合催化剂结构的影响
        4.1.1 晶体结构
        4.1.2 TG-DSC分析
        4.1.3 形貌分析
        4.1.4 化学组成
    4.2 RuO_2 对复合催化剂OER催化活性的影响
        4.2.1 循环伏安法测试
        4.2.2 稳定性测试
        4.2.3 OER测试
    4.3 RuO_2 对复合催化剂单电池性能的影响
    4.4 本章小结
第5章 MEA耐久性研究
    5.1 单电池耐久性测试
        5.1.1 不同催化剂的测试
        5.1.2 IrO_2@RuO_2 的单池耐久性分析
    5.2 MEA阳极催化剂耐久性测试前后的形貌分析
        5.2.1 阳极催化剂性测试前后的形貌分析
        5.2.2 阴极催化剂耐久性测试前后的形貌分析
    5.3 MEA的断面分析
        5.3.1 IrO2 作阳极的MEA耐久性测试前后的断面分析
        5.3.2 IrO_2@RuO_2 作阳极的MEA耐久性测试前后的断面分析
    5.4 本章小结
结论
参考文献
致谢
附录A (攻读硕士学位期间发表的学术论文目录)


【参考文献】：
期刊论文
[1]IrO2改性钛网对固体聚合物电解质电解器集电极层电化学性能的影响[J]. 宋宇琨,吕洪,郝传璞,米灿根.  高等学校化学学报. 2015(07)
[2]电解水制氢技术进展[J]. 倪萌,M.K.H.Leung,K.Sumathy.  能源环境保护. 2004(05)



本文编号：3197507