铁基电催化剂的制备及其OER性能研究
发布时间：2021-07-03 12:41
随着全球人口快速增长,能源需求的增加,以及气候变化迫在眉睫,对发展可持续的新型绿色清洁能源越来越重视。电化学能源转化,尤其是电化学水分解成为相关领域的研究热点,但是电极表面缓慢的动力学反应严重限制了转化的速率和效率。对此,人们通常采用催化剂来加速动力学反应从而提高活性。因此发展高效、稳定、低成本的电催化剂至关重要。鉴于此本论文对铁基催化剂的制备与产氧反应（OER）机理进行了一系列系统的研究,从而为催化剂的设计给予一定的指导。取得的主要研究结果如下:通过NaBH4还原和电化学阴极沉积法分别制备了一元铁基固体颗粒催化剂和薄膜催化剂,结构表征显示催化剂在电极工作时以羟基氧化物状态存在。探究了其在金、玻碳、铂、钯基底上的OER性能,结果显示金基底上的最优。分层设计了具有表面活性位的多孔异构催化剂,结果表明三维介孔NiO还原的多晶Ni金属骨架在其最外表面引入Fe时可以表现出优异的OER性能。同时,在OER过程中,金属Ni的外表面发生了重构,形成了由NiFeOxHy表面层和电子导电Ni核组成的异质结构。制备的NiFeOx<...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水分解概念图
中国地质大学（北京）硕士学位论文3物种有*OH、*O、*OOH。因为反应过程决速步骤多，所以每一步的反应速率都有可能会影响整个反应的速率。OER电催化剂的目的就是降低每一步或者其中一步的反应速率，从而来提高整体反应的效率。现在的主流OER催化剂有贵金属Ir和Ru的氧化物，还有过渡金属氧化物复合材料(N.Danilovic,2014;S.Cherevko,2016;L.C.Seitz,2016)。贵金属氧化物催化效果可观，但是成本较高，所以主要的研究还是在储量高价格低的过渡金属氧化物。基于镍钴铁的过渡金属氧化物是效率最高的OER催化剂之一(L.Trotochaud,2014;M.S.Burke,2015)。1.2.2电催化CO2还原电化学还原CO2是一种很有前景的将间歇可再生能源转换成可储存燃料与有价值化学原料的途径(DevinT.Whipple,2010;KendraP.Kuhl,2012)。工业化生产使得大气中的CO2浓度增大，这严重影响了全球气候变化。在这种环境能源的大背景下，电化学还原CO2成为了研究的热门。根据反应过程中电子的转移数量，CO2还原有16种产物，可以分为C1和C2，见图1-2。其中二电子转移的产物有一氧化碳（CO），甲酸盐（HCOO-），多电子转移的产物有甲醇（CH3OH）、甲烷（CH4）、乙醇（CH3COOH）、乙烯（C2H4）、丙醇（CH8O）。图1-2CO2还原产物C1和C2的形成过程基于多电子转移的CO2还原反应产物都是碳的化合物和水，如方程式1-4所示。mCO2+n(H++e-)→产物+xH2O（1-4）CO2还原反应种有三种化学键，O-H键，C-H键和C-C键。这中间有两种氢
中国地质大学（北京）硕士学位论文5合金材料在性能上要优于单一的Pt(J.Greeley,2009)。理论计算表明，合金元素在亚表面的存在以及由于合金具有比纯Pt小的晶格常数引起Pt覆盖层中的应力改变了电子结构（表面Pt原子的d态在能量上向下移动），这一且变化导致ORR中间产物的结合较弱，所以使得反应速率变快(H.A.Gasteiger,2005)。也有研究发现核壳结构也可以改善ORR性能，比如Ru@Pt与Ir@Pt。催化剂的颗粒大小影响其性能，小颗粒的性能优，还发现催化剂的边缘区域性能更佳(VojislavStamenkovic,2006)，具体结果如图1-3所示。图1-3不同ORR催化剂的理论计算结果1.3OER催化剂1.3.1贵金属催化剂几乎所有的贵金属都可用于催化反应，对于OER反应来说，只有贵金属铱（Ir）和钌（Ru）。金属铱和钌以及其衍生的氧化物在酸性条件下表现出了优异的OER性能，也是迄今为止酸性条件下为数不多的商用OER电催化剂(YixinZhao,
本文编号：3262601
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水分解概念图
中国地质大学（北京）硕士学位论文3物种有*OH、*O、*OOH。因为反应过程决速步骤多，所以每一步的反应速率都有可能会影响整个反应的速率。OER电催化剂的目的就是降低每一步或者其中一步的反应速率，从而来提高整体反应的效率。现在的主流OER催化剂有贵金属Ir和Ru的氧化物，还有过渡金属氧化物复合材料(N.Danilovic,2014;S.Cherevko,2016;L.C.Seitz,2016)。贵金属氧化物催化效果可观，但是成本较高，所以主要的研究还是在储量高价格低的过渡金属氧化物。基于镍钴铁的过渡金属氧化物是效率最高的OER催化剂之一(L.Trotochaud,2014;M.S.Burke,2015)。1.2.2电催化CO2还原电化学还原CO2是一种很有前景的将间歇可再生能源转换成可储存燃料与有价值化学原料的途径(DevinT.Whipple,2010;KendraP.Kuhl,2012)。工业化生产使得大气中的CO2浓度增大，这严重影响了全球气候变化。在这种环境能源的大背景下，电化学还原CO2成为了研究的热门。根据反应过程中电子的转移数量，CO2还原有16种产物，可以分为C1和C2，见图1-2。其中二电子转移的产物有一氧化碳（CO），甲酸盐（HCOO-），多电子转移的产物有甲醇（CH3OH）、甲烷（CH4）、乙醇（CH3COOH）、乙烯（C2H4）、丙醇（CH8O）。图1-2CO2还原产物C1和C2的形成过程基于多电子转移的CO2还原反应产物都是碳的化合物和水，如方程式1-4所示。mCO2+n(H++e-)→产物+xH2O（1-4）CO2还原反应种有三种化学键，O-H键，C-H键和C-C键。这中间有两种氢
中国地质大学（北京）硕士学位论文5合金材料在性能上要优于单一的Pt(J.Greeley,2009)。理论计算表明，合金元素在亚表面的存在以及由于合金具有比纯Pt小的晶格常数引起Pt覆盖层中的应力改变了电子结构（表面Pt原子的d态在能量上向下移动），这一且变化导致ORR中间产物的结合较弱，所以使得反应速率变快(H.A.Gasteiger,2005)。也有研究发现核壳结构也可以改善ORR性能，比如Ru@Pt与Ir@Pt。催化剂的颗粒大小影响其性能，小颗粒的性能优，还发现催化剂的边缘区域性能更佳(VojislavStamenkovic,2006)，具体结果如图1-3所示。图1-3不同ORR催化剂的理论计算结果1.3OER催化剂1.3.1贵金属催化剂几乎所有的贵金属都可用于催化反应，对于OER反应来说，只有贵金属铱（Ir）和钌（Ru）。金属铱和钌以及其衍生的氧化物在酸性条件下表现出了优异的OER性能，也是迄今为止酸性条件下为数不多的商用OER电催化剂(YixinZhao,
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