尖晶石型过渡金属基催化剂的设计合成及其电催化分解水性能研究
发布时间：2021-06-29 15:27
解决能源危机有效方法是选择合适的可再生能源替代传统能源,从而减少化石能源消耗。水电解是可以将太阳能、风能产生的电能转化为氢能的一项有效技术。目前,主要使用贵金属基催化剂,但贵金属的稀缺性和高成本阻碍了它们的大规模应用。近几年中,在开发用于析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的单过渡金属（STM）基硫化物,硒化物,氮化物和磷化物方面取得了重大进展。然而,STM材料不稳定,相比贵金属电催化活性低。因此,开发用于电化学水分解的具有高效、耐用和低成本的新一代电催化剂仍是一个重大挑战。尖晶石结构（AB2X4）材料,是一种基于混合过渡金属的电催化剂,由于其优异的导电性,双金属原子的协同效应和结构稳定性而成为分解水的有效且耐用的电催化剂,正在水电解领域得到迅速发展。本论文围绕如何获得高效稳定的尖晶石结构催化剂。通过调控形貌、成分,改变催化剂表面状态、电子结构,实现催化剂改性和赋予特定功能,使其性能不断提升。结合理论指导和试验探索,揭示催化的本质。主要研究内容如下:（1）系统研究尖晶石催化剂形貌与催化分解水性能的关系。研究发现通过改变形貌可以有效调控尖晶石...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
氢能经济
3华中科技大学博士学位论文1.2.1电解水的结构和基本原理电解水时，由于纯水属于弱电解质，导电能力差，所以为了使水能够顺利地电解成为氢气和氧气，需要加入电解质，以增加溶液的导电能力。电解质主要是硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等。电解水装置结构示意图如图1-2所示。图1-2水电解池的结构示意图根据电解液性质不同，电解水基本原理分为两种情况：在酸性溶液电解时阴极：2H++2e→H2θφ=0V阳极：H2O→12O2+2H++2eθφ=1.23V在碱性溶液中电解时，阴极：2H2O+2e→H2+2OHθφ=-0.83V阳极：2OH→12O2+H2O+2eθφ=0.4V两种情况下的总反应均为：H2O→12O2+H2θφ=1.23V槽电压V:理论分解电压Ed
5华中科技大学博士学位论文（1）水溶液电解槽。主要由隔膜、电解液、阴极和阳极构成。工业隔膜主要成分是石棉，通常电解液是浓度为20~30%的氢氧化钾溶液(KOH)，阴阳两极分别使用析氢和析氧催化剂，电解槽工作温度70~100oC，压强为100~3000kPa。图1-3展示工业碱性水电解槽装置。图1-3工业用碱性水电解槽（2）聚合物薄膜电解槽(PEMElectrolyzer)。PEM是基于离子交换技术的高效电解槽，通用电气公司在1966年研制出第一台PEM电解槽。PEM电解槽主要由两电极和聚合物薄膜组成，通常质子交换膜与电极催化剂成一体化结构。在这种结构中，多孔结构催化剂电极紧贴在交换膜表面。PEM电解槽优点只需要纯水，没有电解液，对电解槽无破坏；电解质为质子交换膜，具有质子传导性高，化学稳定，气体分离性好；可以在较高的工作电流工作，电解效率高，目前PEM电解槽的效率可以达到85%以上。缺点，nafion膜和电极使用贵金属催化剂，价格昂贵，目前很难投入大规模使用。（3）固体氧化物电解槽(SolidOxideElectrolyzer)。固体氧化物电解槽始于1972年，特点是成本低，工作在高温环境，部分电能由热能提供，是目前三种电解槽中电解制氢效率最高，并且可以将废热通过热能回收装置利用起来，总效率达到90%。由于工作在高温下(1000oC)，对材料和使用上存在一些问题。适合做固体氧化物材料主要是铱掺杂氧化锆(YSZ)。尽管材料便宜，但加工工艺昂贵，使得固体氧化物电解槽的成本高于水溶液电解槽。
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
博士论文
[1]高指数晶面金属纳米结构的可控合成及电催化性能研究[D]. 王成名.中国科学技术大学 2013
硕士论文
[1]几种过渡金属催化剂的制备及析氧性能研究[D]. 杨柳.石河子大学 2016
本文编号：3256690
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
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【学位级别】：博士
【部分图文】：
氢能经济
3华中科技大学博士学位论文1.2.1电解水的结构和基本原理电解水时，由于纯水属于弱电解质，导电能力差，所以为了使水能够顺利地电解成为氢气和氧气，需要加入电解质，以增加溶液的导电能力。电解质主要是硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等。电解水装置结构示意图如图1-2所示。图1-2水电解池的结构示意图根据电解液性质不同，电解水基本原理分为两种情况：在酸性溶液电解时阴极：2H++2e→H2θφ=0V阳极：H2O→12O2+2H++2eθφ=1.23V在碱性溶液中电解时，阴极：2H2O+2e→H2+2OHθφ=-0.83V阳极：2OH→12O2+H2O+2eθφ=0.4V两种情况下的总反应均为：H2O→12O2+H2θφ=1.23V槽电压V:理论分解电压Ed
5华中科技大学博士学位论文（1）水溶液电解槽。主要由隔膜、电解液、阴极和阳极构成。工业隔膜主要成分是石棉，通常电解液是浓度为20~30%的氢氧化钾溶液(KOH)，阴阳两极分别使用析氢和析氧催化剂，电解槽工作温度70~100oC，压强为100~3000kPa。图1-3展示工业碱性水电解槽装置。图1-3工业用碱性水电解槽（2）聚合物薄膜电解槽(PEMElectrolyzer)。PEM是基于离子交换技术的高效电解槽，通用电气公司在1966年研制出第一台PEM电解槽。PEM电解槽主要由两电极和聚合物薄膜组成，通常质子交换膜与电极催化剂成一体化结构。在这种结构中，多孔结构催化剂电极紧贴在交换膜表面。PEM电解槽优点只需要纯水，没有电解液，对电解槽无破坏；电解质为质子交换膜，具有质子传导性高，化学稳定，气体分离性好；可以在较高的工作电流工作，电解效率高，目前PEM电解槽的效率可以达到85%以上。缺点，nafion膜和电极使用贵金属催化剂，价格昂贵，目前很难投入大规模使用。（3）固体氧化物电解槽(SolidOxideElectrolyzer)。固体氧化物电解槽始于1972年，特点是成本低，工作在高温环境，部分电能由热能提供，是目前三种电解槽中电解制氢效率最高，并且可以将废热通过热能回收装置利用起来，总效率达到90%。由于工作在高温下(1000oC)，对材料和使用上存在一些问题。适合做固体氧化物材料主要是铱掺杂氧化锆(YSZ)。尽管材料便宜，但加工工艺昂贵，使得固体氧化物电解槽的成本高于水溶液电解槽。
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
博士论文
[1]高指数晶面金属纳米结构的可控合成及电催化性能研究[D]. 王成名.中国科学技术大学 2013
硕士论文
[1]几种过渡金属催化剂的制备及析氧性能研究[D]. 杨柳.石河子大学 2016
本文编号：3256690
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