几种含钴纳米材料的制备及其电催化性能研究
发布时间：2021-06-27 17:59
电解水反应主要包含析氢反应（HER）和析氧反应（OER）两个半反应。其中催化剂因有效降低反应能垒而受到广泛关注。钴基催化剂因具有储量丰富、成本低廉、性能优异等特点,被视为一种理想的非贵金属催化剂。本文通过杂原子复合、引入导电基底等手段制备钴基纳米材料,进一步提高其电催化性能,同时系统地研究了所得材料的形貌、组成与电催化性能之间的构效关系。主要研究内容如下:（1）制备原位生长在不锈钢（SLS）上的花状硫化钴纳米材料（CoS@SLS）。不锈钢基底含有能够催化OER的活性元素,进一步提高CoS@SLS的电化学性能。CoS@SLS在电流密度为10 mA cm-2时的过电位为318 mV,并且在循环14 h后材料仍保持82%的催化活性。（2）通过电沉积法制备均匀生长在泡沫镍（NF）上的片状尖晶石型锰钴氧化物（MnCo2O4）纳米材料（MnCo2O4/NF）。由于镍元素可以高效催化HER,选择泡沫镍作为HER催化剂的基底,比其它基底更为适宜。实验通过控制锰盐与钴盐的投料比,沉积电压与沉积时...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢气的来源与应用
?谜庑┠芰拷??肿臃纸?成H2和O2，即光解反应[15]。在光解水制氢的过程中，用来吸收太阳光的半导体材料起决定性因素。概括来说，当太阳光照射半导体时，一部分能量大于或等于半导体带隙能量的光子撞击到半导体表面，材料内部的电子受到激发从价带跃迁到导带，价带中产生空穴，光生电子空穴对就出现了，然后在半导体的不同位置驱动着水分解的反应，将水还原成氢气或氧化成氧气[16]。1.2.3.3电解水制氢电解水制氢是一种有效的水分解制氢技术，由于电解水反应是吸热反应，所以整个体系需要引入电能作为驱动能源。如图1.2所示，电解水的基本装置由电源、阳极、阴极和电解质组成，其中直流电源用于提供电子和维持电能循环[17]。在电解水的过程中，氢离子向阴极移动，氢氧根离子向阳极移动。电子从直流电源的负极流出，被阴极吸附的氢离子消耗从而形成氢气。同时氢氧根离子(阴离子)在阳极的表面与电解质溶液反应，并释放电子。电子通过阳极的传递回到直流电源的正极，保持电荷的平衡。由于装置中包含隔膜和气体接收器，可以分别从阴极和阳极收集电解水过程中产生的氢气和氧气。在实际研究中，电解质通常是由离子组成，一般使用的是氢氧化钾溶液，既可以提高电导率，又可以避免酸性电解液对电极的腐蚀损坏。图1.2电解水系统的简易装置图到目前为止，已经开发和使用的电解装置有质子交换膜、碱性和固体氧化物电解池。在质子交换膜电解池中，水中的氢离子(H+)穿过交换膜后在阴极发生反应生成H2，电解池中保留水和氧气。在碱性和固体氧化物电解池中，水在阴极发生反应产生H2，剩余的氢氧根离子(OH-)通过电解质的传递到达阳极，在阳极表面发生反应生成O2。整个体系的化学反应方程式[18]可以写为：质子交换膜电解池：阳极：2H2O→O2+4H++
硕士学位论文几种含钴纳米材料的制备及其电催化性能研究5碱性和固体氧化物电解池：阳极：4OH-→O2+2H2O+4e-阴极：2H2O+2e-→2OH-+H2相比于众多的制氢技术，电解水制氢具有较好的发展前景。它具有实用性、灵活性和产物高纯度等众多优点，有望通过工艺改进，提高能效，降低安装和操作成本等手段实现工业大规模产氢这一目标。1.3电解水制氢的基础知识早在1789年，JanRudolphDeiman和AdriaanPaetsvanTroostwijk就发现电能够分解水。1888年，DmitryLachinov又研发了一种可以在工业上应用电解水制取氢气和氧气的工艺方法[19]。随着几百年来广泛而深入的科学研究，电解水制氢的理论基础也不断地完善。如图1.3所示，电解水制氢主要由两个半反应组成[20-21]:阴极表面发生的析氢反应(HER)和阳极表面发生的析氧反应(OER)。图1.3电解水制氢装置中的HER和OER示意图1.3.1析氢反应一般认为HER反应的实质是二电子转移过程，即系统经过两个电子的转移后在材料表面生成了一个H2分子的过程。图1.4以金属Pt为例，简单描述了HER的反应路径[22]。反应需要经历两个反应步骤：(1)第一步反应称为Volmer反应，主要由放电反应引发，其实质是H+与电子反应生成H原子，并吸附在材料表面。反应方程式为：H+(aq)+e+*→H*其中星号*表示活性位点，H*表示与活性位点结合的一个氢原子。(2)第二步反应有两种，第一种反应称为Tafel反应，反应过程是材料表面吸附的氢原子相互结合在溶液中形成了H2。反应方程式为：H*+H*→H2(g)+2*第二种反应称为Heyrovsky反应，即溶液中的电子与H+，材料表面吸附的氢原子相互结合，产生氢气。反应方程式为：H*+H+(aq)+e→H2(g)+*
本文编号：3253331
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢气的来源与应用
?谜庑┠芰拷??肿臃纸?成H2和O2，即光解反应[15]。在光解水制氢的过程中，用来吸收太阳光的半导体材料起决定性因素。概括来说，当太阳光照射半导体时，一部分能量大于或等于半导体带隙能量的光子撞击到半导体表面，材料内部的电子受到激发从价带跃迁到导带，价带中产生空穴，光生电子空穴对就出现了，然后在半导体的不同位置驱动着水分解的反应，将水还原成氢气或氧化成氧气[16]。1.2.3.3电解水制氢电解水制氢是一种有效的水分解制氢技术，由于电解水反应是吸热反应，所以整个体系需要引入电能作为驱动能源。如图1.2所示，电解水的基本装置由电源、阳极、阴极和电解质组成，其中直流电源用于提供电子和维持电能循环[17]。在电解水的过程中，氢离子向阴极移动，氢氧根离子向阳极移动。电子从直流电源的负极流出，被阴极吸附的氢离子消耗从而形成氢气。同时氢氧根离子(阴离子)在阳极的表面与电解质溶液反应，并释放电子。电子通过阳极的传递回到直流电源的正极，保持电荷的平衡。由于装置中包含隔膜和气体接收器，可以分别从阴极和阳极收集电解水过程中产生的氢气和氧气。在实际研究中，电解质通常是由离子组成，一般使用的是氢氧化钾溶液，既可以提高电导率，又可以避免酸性电解液对电极的腐蚀损坏。图1.2电解水系统的简易装置图到目前为止，已经开发和使用的电解装置有质子交换膜、碱性和固体氧化物电解池。在质子交换膜电解池中，水中的氢离子(H+)穿过交换膜后在阴极发生反应生成H2，电解池中保留水和氧气。在碱性和固体氧化物电解池中，水在阴极发生反应产生H2，剩余的氢氧根离子(OH-)通过电解质的传递到达阳极，在阳极表面发生反应生成O2。整个体系的化学反应方程式[18]可以写为：质子交换膜电解池：阳极：2H2O→O2+4H++
硕士学位论文几种含钴纳米材料的制备及其电催化性能研究5碱性和固体氧化物电解池：阳极：4OH-→O2+2H2O+4e-阴极：2H2O+2e-→2OH-+H2相比于众多的制氢技术，电解水制氢具有较好的发展前景。它具有实用性、灵活性和产物高纯度等众多优点，有望通过工艺改进，提高能效，降低安装和操作成本等手段实现工业大规模产氢这一目标。1.3电解水制氢的基础知识早在1789年，JanRudolphDeiman和AdriaanPaetsvanTroostwijk就发现电能够分解水。1888年，DmitryLachinov又研发了一种可以在工业上应用电解水制取氢气和氧气的工艺方法[19]。随着几百年来广泛而深入的科学研究，电解水制氢的理论基础也不断地完善。如图1.3所示，电解水制氢主要由两个半反应组成[20-21]:阴极表面发生的析氢反应(HER)和阳极表面发生的析氧反应(OER)。图1.3电解水制氢装置中的HER和OER示意图1.3.1析氢反应一般认为HER反应的实质是二电子转移过程，即系统经过两个电子的转移后在材料表面生成了一个H2分子的过程。图1.4以金属Pt为例，简单描述了HER的反应路径[22]。反应需要经历两个反应步骤：(1)第一步反应称为Volmer反应，主要由放电反应引发，其实质是H+与电子反应生成H原子，并吸附在材料表面。反应方程式为：H+(aq)+e+*→H*其中星号*表示活性位点，H*表示与活性位点结合的一个氢原子。(2)第二步反应有两种，第一种反应称为Tafel反应，反应过程是材料表面吸附的氢原子相互结合在溶液中形成了H2。反应方程式为：H*+H*→H2(g)+2*第二种反应称为Heyrovsky反应，即溶液中的电子与H+，材料表面吸附的氢原子相互结合，产生氢气。反应方程式为：H*+H+(aq)+e→H2(g)+*
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