基于杂多酸调控金属掺杂碳化物杂化材料及其电解水性能研究
发布时间：2021-06-22 06:37
能源消耗和紧缺是当前世界面临的重要问题。为了缓解其带给人类社会发展的紧迫感,科学家们一直在潜心研究和开发新型能源。氢能因其清洁高效而成为新能源研究热点。制备氢气的常用方法之一是电解水制氢。它以水为原料,通过施加外电压,在正、负两极产生氢气和氧气。为了提高产氢效率,常在电极表面涂覆高效催化剂。迄今为止,Pt、IrO2、RuO2等贵金属化合物仍是最理想的催化剂。然而,其价格高昂且储量不足,无法满足市场对于成本和产量的双重需求。因而,在不影响催化剂材料的催化活性和稳定性的前提下,大幅度降低贵金属的使用量或开发高效的非贵金属替代催化剂是非常必要的。利用催化活性物种的纳米结构化以及杂原子掺杂等策略,既可以增加催化活性位点数目,又可以调控电子结构。本文以碳化钼和碳化钨为主要研究对象,通过纳米化工艺和金属掺杂,制备高效析氢、析氧催化剂,并探究了催化剂的纳米结构、组成与电催化活性之间的关系。主要内容如下:（1）结合静电纺丝和杂多酸（HPA）限域作用制备了Pt（acac）2/HPA/PAN前驱体纤维膜,经高温碳化得到了负载在碳纳米纤维上的...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解水发展时间轴Fig.1-1Developmenttimelineofelectrolyticwater
磕谌萦刑剿鞯缃馑?拇呋??怼⒖?⒌统杀靖叽呋??实拇呋?痢⒀芯?催化剂材料的设计理论等方面[16,17]。这些关键性的研究有利于提高电解水的产氢效率并降低运作成本，有望进一步推动氢能的快速发展，并解决全球所面临的能源危机和环境污染两大难题。1.2.2电解水基本原理电解水技术由于具有产氢纯度高、反应过程无污染等优点而被研究者们视为最理想的制氢工艺。该技术借助电解装置，通过对装置施加外电压，将水分子分解为H2和O2[18]。通常情况下，电解水装置主要由电解液、电极（阴极/阳极）和电源这三个部分组成，如图1-2所示[19]。众所周知，纯水当中的水分子电离度极低，无法提供足够的自由离子，以至于溶液导电性较差，进而影响水分解效率。为了提高纯水的导电能力，常在纯水中添加一些电解质，例如H2SO4、NaOH、KOH等[20]。作为电解水反应核心部分，阴极和阳极表面常涂覆一些高效催化剂以促进电解水的反应进程[21]。图1-2电解水装置示意图Fig.1-2Schematicdiagramofwaterelectrolysisdevice电解水过程包含两个半反应，即阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）。在酸性、中性、碱性这三类不同的电解液中，由于溶液所含H+或OH-浓度不同，导致阴极和阳极反应也相应不同，具体反应过程如下[22,23]：电解水总反应式：2H2O→2H2↑+O2↑（1-1）在酸性（H+）电解液中：阴极：4H++4e-→2H2↑（1-2）阳极：2H2O→O2↑+4H++4e-（1-3）在碱性（OH-）或中性电解液中：阴极：4H2O+4e-→2H2↑+4OH-（1-4）
。在标准状态下（气压：1atm；温度：298K），电解水反应所需的理论电压值为1.23V[24]。但在实际应用中，水分解过程所需施加的外电压往往高于理论值，原因在于其反应过程存在的各种电阻和过电势产生额外的电压[25]。为了降低电阻和过电势所带来的能耗，研究者们一方面通过优化电池结构以期降低电阻，另一方面通过开发高效稳定的催化剂来降低反应所需的过电位。目前而言，开发高效且稳定的新型催化剂对于提高氢能转化效率更为重要[26-28]。1.2.3电解水析氢反应（HER）机理概述阴极表面发生的析氢反应，属于二电子转移过程，如图1-3所示[29]。在酸性电解液中，氢离子（H+）得到一个电子（e-）之后，在电极表面形成一个吸附态氢（H*），这一过程称为氢的吸附，也叫做Volmer反应。Volmer反应：H++e-+*→H*（1-6）随后反应途径依据电极表面不同的吸附氢含量，相应改变。当电极表面的吸附氢（H*）含量足够多时，吸附在电极同一表面相邻的两个H*更容易结合在一起生成氢气，这一过程称为氢的脱附，也叫做Tafel反应。Tafel反应：H*+H*→H2（1-7）而当电极表面的吸附氢（H*）含量比较少时，吸附在电极表面的H*更倾向于与电解液中的另一个氢离子（H+）以及另一个电子（e-）结合生成氢气，此过程同样为氢的脱附过程，被称为Heyrovsky反应。Heyrovsky反应：H*+H++e-→H2（1-8）在碱性电解液中，析氢反应过程涉及到的反应步骤与酸性电解液中的步骤相同，唯一区别在于，碱性电解液中的质子来源于水分子。图1-3酸性和碱性电解液中HER反应机制Fig.1-3HERreactionmechanisminacidicandalkalineelectrolyte总的来说，析氢反应机理分为两种，一种是Volmer-Tafel机理，另一种是Volmer-Heyrovsky机理[30]。可依据Tafel斜率值来推测催化析氢反应可能遵循的反应路
【参考文献】：
期刊论文
[1]Understanding the synergetic interaction within α-MoC/β-Mo2C heterostructured electrocatalyst[J]. Hao Zhang,Haiyan Jin,Yuqi Yang,Fanfei Sun,Yang Liu,Xianlong Du,Shuo Zhang,Fei Song,Jianqiang Wang,Yong Wang,Zheng Jiang. Journal of Energy Chemistry. 2019(08)
[2]Heterostructured Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction Under Alkaline Conditions[J]. Jumeng Wei,Min Zhou,Anchun Long,Yanming Xue,Hanbin Liao,Chao Wei,Zhichuan J.Xu. Nano-Micro Letters. 2018(04)
[3]氢能的制备、存储与应用[J]. 尚福亮,杨海涛. 广东化工. 2006(02)
硕士论文
[1]二硒化钼/碳纳米纤维杂化材料的制备及其析氢行为的研究[D]. 杨辉.浙江理工大学 2017
本文编号：3242336
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解水发展时间轴Fig.1-1Developmenttimelineofelectrolyticwater
磕谌萦刑剿鞯缃馑?拇呋??怼⒖?⒌统杀靖叽呋??实拇呋?痢⒀芯?催化剂材料的设计理论等方面[16,17]。这些关键性的研究有利于提高电解水的产氢效率并降低运作成本，有望进一步推动氢能的快速发展，并解决全球所面临的能源危机和环境污染两大难题。1.2.2电解水基本原理电解水技术由于具有产氢纯度高、反应过程无污染等优点而被研究者们视为最理想的制氢工艺。该技术借助电解装置，通过对装置施加外电压，将水分子分解为H2和O2[18]。通常情况下，电解水装置主要由电解液、电极（阴极/阳极）和电源这三个部分组成，如图1-2所示[19]。众所周知，纯水当中的水分子电离度极低，无法提供足够的自由离子，以至于溶液导电性较差，进而影响水分解效率。为了提高纯水的导电能力，常在纯水中添加一些电解质，例如H2SO4、NaOH、KOH等[20]。作为电解水反应核心部分，阴极和阳极表面常涂覆一些高效催化剂以促进电解水的反应进程[21]。图1-2电解水装置示意图Fig.1-2Schematicdiagramofwaterelectrolysisdevice电解水过程包含两个半反应，即阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）。在酸性、中性、碱性这三类不同的电解液中，由于溶液所含H+或OH-浓度不同，导致阴极和阳极反应也相应不同，具体反应过程如下[22,23]：电解水总反应式：2H2O→2H2↑+O2↑（1-1）在酸性（H+）电解液中：阴极：4H++4e-→2H2↑（1-2）阳极：2H2O→O2↑+4H++4e-（1-3）在碱性（OH-）或中性电解液中：阴极：4H2O+4e-→2H2↑+4OH-（1-4）
。在标准状态下（气压：1atm；温度：298K），电解水反应所需的理论电压值为1.23V[24]。但在实际应用中，水分解过程所需施加的外电压往往高于理论值，原因在于其反应过程存在的各种电阻和过电势产生额外的电压[25]。为了降低电阻和过电势所带来的能耗，研究者们一方面通过优化电池结构以期降低电阻，另一方面通过开发高效稳定的催化剂来降低反应所需的过电位。目前而言，开发高效且稳定的新型催化剂对于提高氢能转化效率更为重要[26-28]。1.2.3电解水析氢反应（HER）机理概述阴极表面发生的析氢反应，属于二电子转移过程，如图1-3所示[29]。在酸性电解液中，氢离子（H+）得到一个电子（e-）之后，在电极表面形成一个吸附态氢（H*），这一过程称为氢的吸附，也叫做Volmer反应。Volmer反应：H++e-+*→H*（1-6）随后反应途径依据电极表面不同的吸附氢含量，相应改变。当电极表面的吸附氢（H*）含量足够多时，吸附在电极同一表面相邻的两个H*更容易结合在一起生成氢气，这一过程称为氢的脱附，也叫做Tafel反应。Tafel反应：H*+H*→H2（1-7）而当电极表面的吸附氢（H*）含量比较少时，吸附在电极表面的H*更倾向于与电解液中的另一个氢离子（H+）以及另一个电子（e-）结合生成氢气，此过程同样为氢的脱附过程，被称为Heyrovsky反应。Heyrovsky反应：H*+H++e-→H2（1-8）在碱性电解液中，析氢反应过程涉及到的反应步骤与酸性电解液中的步骤相同，唯一区别在于，碱性电解液中的质子来源于水分子。图1-3酸性和碱性电解液中HER反应机制Fig.1-3HERreactionmechanisminacidicandalkalineelectrolyte总的来说，析氢反应机理分为两种，一种是Volmer-Tafel机理，另一种是Volmer-Heyrovsky机理[30]。可依据Tafel斜率值来推测催化析氢反应可能遵循的反应路
【参考文献】：
期刊论文
[1]Understanding the synergetic interaction within α-MoC/β-Mo2C heterostructured electrocatalyst[J]. Hao Zhang,Haiyan Jin,Yuqi Yang,Fanfei Sun,Yang Liu,Xianlong Du,Shuo Zhang,Fei Song,Jianqiang Wang,Yong Wang,Zheng Jiang. Journal of Energy Chemistry. 2019(08)
[2]Heterostructured Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction Under Alkaline Conditions[J]. Jumeng Wei,Min Zhou,Anchun Long,Yanming Xue,Hanbin Liao,Chao Wei,Zhichuan J.Xu. Nano-Micro Letters. 2018(04)
[3]氢能的制备、存储与应用[J]. 尚福亮,杨海涛. 广东化工. 2006(02)
硕士论文
[1]二硒化钼/碳纳米纤维杂化材料的制备及其析氢行为的研究[D]. 杨辉.浙江理工大学 2017
本文编号：3242336
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