杂原子修饰镍电解水双功能催化剂
发布时间：2021-07-14 06:47
随着全球化石能源消耗的逐渐增加,开发环境友好型的可持续能源引起了人们的广泛关注和研究。电解水技术是一种有效制备高纯氢气和高纯氧气的方法。然而,电解水反应被复杂的析氢析氧动力学过程所限制,这就需要高效的电催化剂来降低其过电位。目前,主要的高性能析氢电极材料和析氧电极材料分别为铂基催化剂和钌/铱基催化剂,然而其有限的储量和昂贵的价格极大地限制了全解水制氢和制氧的的大规模发展。因此,开发基于非贵金属的高效稳定的双功能电解水催化剂对于实现可持续清洁能源技术来说具有特别重要的意义。Ni基金属催化剂凭借着其来源丰富、稳定性强、具有独特的催化特性等优势,备受科研工作者的青睐。本论文致力于通过杂原子修饰的方法改性Ni基金属催化剂,对Ni基金属催化剂材料的微观形貌、物相组成和电子结构进行有效调控,改善Ni基金属催化剂作为双功能电解水催化剂的电催化性能,并结合DFT理论计算,为设计合成高效的双功能电解水催化剂提供了理论和技术支持。本论文的主要内容和结果如下:（1）本章节利用水热生长和氢气还原相结合的方法,在泡沫镍基底上原位生长了硫原子修饰的Ni/Ni3S2纳米片...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢能燃料电池原理和燃料电池汽车示意图[14,15]
重庆大学硕士学位论文4操作简单等优势，有着近百年的生产历史。在电解水制氢过程中，电解池是其中重要的装置，电解制氢生产过程都是在其中完成的，通过利用外加电压的方法将水电解成纯的氢气和氧气，可以减少对化石能源的消耗，并且电解过程中使用的电能主要来源于风能、太阳能等可再生能源，将太阳能、风能等可再生资源与电解水结合产生环境友好型的可再生能源，从而实现生产过程的零排放[20,21]。理论上，电解产生1L氢气需要消耗4.26Wh的电能(考虑能量损失)，大规模产氢成本还相对较高，开发高效廉价的双功能电解水催化剂用来降低电解水成本，对于氢能的高效利用具有着重大的现实意义[22]。图1.2电解水装置示意图[22]Fig.1.2Thediagramofanelectrolyzer1.3电解水产氢技术1.3.1电解水产氢的原理从图1.2示意图可以看出，电解槽装置主要由三部分组成：电解液、阳极、阴极。双功能电解水催化剂可以同时作为作阳极和阴极催化剂来催化电解水反应，通过施加一定的外部电压，阴极部分就会由于H+或H2O得到电子发生还原反应生成H2，阳极部分则会由于OH-失去电子发生氧化反应生成O2和H2O，根据使用的电解质类型不同，发生在电解水过程中的两个半反应的电化学反应也有所区别。总反应：H2O→H2+1/2O2在酸性介质中：阴极发生2H++2e-→H2阳极发生H2O→2H++1/2O2+2e-在酸性或碱性介质中：
重庆大学硕士学位论文6直接结合而形成H2，该过程由Tafel斜率的大小决定。酸性溶液：2H++2e-→H2（总反应）反应步骤：H++e-+*→H*（Volmer）H++e-+H*→H2（Heyrovsky）或者：2H*→H2（Tafel）碱性溶液：2H2O+2e-→H2+2OH-（总反应）反应步骤：H2O+e-→H*+OH-（Volmer）H2O+e-+H*→H2+OH-（Heyrovsky）或者：2H*→H2（Tafel）Norskov等[28]人利用理论计算，总结归纳得到了一系列金属的HER交换电流密度与氢吸附自由能(ΔGH*）之间的火山型关系图。从图1.3中可以看到，不同金属所表现出的HER交换电流密度具有明显差异，高HER活性的电催化剂对反应中间体的结合能既不太强也不太弱，如Pt和Pt族金属的ΔGH*接近为0，具有适中的氢吸附自由能，表现出最优的析氢反应活性。催化剂材料的性质能直接影响并决定氢的吸附性能优劣，从而造成了不同催化剂具有不同的HER活性。因此，开发具有适中氢吸附自由能的材料是设计高性能HER催化剂的关键。图1.3HER交换电流密度与氢吸附自由能(ΔGH*）之间的火山型关系图[28]Fig1.3VolcanoplotofHERexchangecurrentdensityasGibbsfreeofabsorbedhydrogen1.3.3析氧反应及机理析氧反应（OER），是H2O分子在阳极上发生的氧化反应。OER的机理与电极表面的构造密切相关，不同电极材料的不同晶面会造成OER的机理有所区别，因为电极材料的不同而展现出不同的机理表现，比HER的二电子转移过程更为复杂[29]。在碱性介质中，学术界公认的OER总反应路径包含四个独立的电子转移过程[30]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]发展氢能产业,推进能源生产和消费革命[J]. 肖钢,陈远明. 国际人才交流. 2019(02)
[2]氢燃料电池电动车对石化企业的战略意义[J]. 赵学良. 当代石油石化. 2019(01)
[3]制氢技术现状分析及发展[J]. 王昊. 化工设计通讯. 2018(11)
[4]绿色发展是人类发展必然选择[J]. 汪枭枭,王琳,岳端,王颖,王小婷. 当代贵州. 2018(28)
[5]再提氢能源[J]. 裴腾. 经营者(汽车商业评论). 2017(02)
[6]共担时代责任 共促全球发展——在世界经济论坛2017年年会开幕式上的主旨演讲[J]. 习近平. 中国应急管理. 2017(01)
[7]氢能源的利用现状分析[J]. 赵永志,蒙波,陈霖新,王赓,郑津洋,顾超华,张鑫,张俊峰. 化工进展. 2015(09)
[8]氢燃料电池汽车新进展[J]. 毛宗强,甘颖. 太阳能. 2012(08)
[9]国外氢能开发新进展概述[J]. 张明龙,张琼妮. 生态经济. 2011(12)
[10]高温固体氧化物电解水制氢技术[J]. 张文强,于波,陈靖,徐景明. 化学进展. 2008(05)
本文编号：3283638
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢能燃料电池原理和燃料电池汽车示意图[14,15]
重庆大学硕士学位论文4操作简单等优势，有着近百年的生产历史。在电解水制氢过程中，电解池是其中重要的装置，电解制氢生产过程都是在其中完成的，通过利用外加电压的方法将水电解成纯的氢气和氧气，可以减少对化石能源的消耗，并且电解过程中使用的电能主要来源于风能、太阳能等可再生能源，将太阳能、风能等可再生资源与电解水结合产生环境友好型的可再生能源，从而实现生产过程的零排放[20,21]。理论上，电解产生1L氢气需要消耗4.26Wh的电能(考虑能量损失)，大规模产氢成本还相对较高，开发高效廉价的双功能电解水催化剂用来降低电解水成本，对于氢能的高效利用具有着重大的现实意义[22]。图1.2电解水装置示意图[22]Fig.1.2Thediagramofanelectrolyzer1.3电解水产氢技术1.3.1电解水产氢的原理从图1.2示意图可以看出，电解槽装置主要由三部分组成：电解液、阳极、阴极。双功能电解水催化剂可以同时作为作阳极和阴极催化剂来催化电解水反应，通过施加一定的外部电压，阴极部分就会由于H+或H2O得到电子发生还原反应生成H2，阳极部分则会由于OH-失去电子发生氧化反应生成O2和H2O，根据使用的电解质类型不同，发生在电解水过程中的两个半反应的电化学反应也有所区别。总反应：H2O→H2+1/2O2在酸性介质中：阴极发生2H++2e-→H2阳极发生H2O→2H++1/2O2+2e-在酸性或碱性介质中：
重庆大学硕士学位论文6直接结合而形成H2，该过程由Tafel斜率的大小决定。酸性溶液：2H++2e-→H2（总反应）反应步骤：H++e-+*→H*（Volmer）H++e-+H*→H2（Heyrovsky）或者：2H*→H2（Tafel）碱性溶液：2H2O+2e-→H2+2OH-（总反应）反应步骤：H2O+e-→H*+OH-（Volmer）H2O+e-+H*→H2+OH-（Heyrovsky）或者：2H*→H2（Tafel）Norskov等[28]人利用理论计算，总结归纳得到了一系列金属的HER交换电流密度与氢吸附自由能(ΔGH*）之间的火山型关系图。从图1.3中可以看到，不同金属所表现出的HER交换电流密度具有明显差异，高HER活性的电催化剂对反应中间体的结合能既不太强也不太弱，如Pt和Pt族金属的ΔGH*接近为0，具有适中的氢吸附自由能，表现出最优的析氢反应活性。催化剂材料的性质能直接影响并决定氢的吸附性能优劣，从而造成了不同催化剂具有不同的HER活性。因此，开发具有适中氢吸附自由能的材料是设计高性能HER催化剂的关键。图1.3HER交换电流密度与氢吸附自由能(ΔGH*）之间的火山型关系图[28]Fig1.3VolcanoplotofHERexchangecurrentdensityasGibbsfreeofabsorbedhydrogen1.3.3析氧反应及机理析氧反应（OER），是H2O分子在阳极上发生的氧化反应。OER的机理与电极表面的构造密切相关，不同电极材料的不同晶面会造成OER的机理有所区别，因为电极材料的不同而展现出不同的机理表现，比HER的二电子转移过程更为复杂[29]。在碱性介质中，学术界公认的OER总反应路径包含四个独立的电子转移过程[30]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]发展氢能产业,推进能源生产和消费革命[J]. 肖钢,陈远明. 国际人才交流. 2019(02)
[2]氢燃料电池电动车对石化企业的战略意义[J]. 赵学良. 当代石油石化. 2019(01)
[3]制氢技术现状分析及发展[J]. 王昊. 化工设计通讯. 2018(11)
[4]绿色发展是人类发展必然选择[J]. 汪枭枭,王琳,岳端,王颖,王小婷. 当代贵州. 2018(28)
[5]再提氢能源[J]. 裴腾. 经营者(汽车商业评论). 2017(02)
[6]共担时代责任 共促全球发展——在世界经济论坛2017年年会开幕式上的主旨演讲[J]. 习近平. 中国应急管理. 2017(01)
[7]氢能源的利用现状分析[J]. 赵永志,蒙波,陈霖新,王赓,郑津洋,顾超华,张鑫,张俊峰. 化工进展. 2015(09)
[8]氢燃料电池汽车新进展[J]. 毛宗强,甘颖. 太阳能. 2012(08)
[9]国外氢能开发新进展概述[J]. 张明龙,张琼妮. 生态经济. 2011(12)
[10]高温固体氧化物电解水制氢技术[J]. 张文强,于波,陈靖,徐景明. 化学进展. 2008(05)
本文编号：3283638
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