镍钴基非贵金属复合电催化剂的制备及其分解水性能研究
发布时间：2021-07-22 17:07
近几年,随着大量化石燃料的快速消耗,全球气候变化和能源危机成为必须面对的问题。因此,有必要寻找一种可持续、高效清洁的能源来替代化石燃料。目前,氢能源被视为一种较有前景的选择,并且可由水的电解得到,因其制取方法简易而受到青睐。电化学分解水可分为两个半反应:阴极上的析氢反应（HER）和阳极上的析氧反应（OER）。然而,OER和HER通常需要较大的电位来驱动电化学水分解,导致电分解水成本高、效率低。贵金属催化剂虽然能提高电解水的效率,但因价格昂贵以至于不能被大规模使用。因此,找到能用于HER和OER的廉价且高效的非贵金属电催化剂,对于提高能源利用效率具有重要意义。目前,在第一过渡族金属中,第八族的镍基和钴基催化剂因低成本和在碱性溶液中高性能等优点而被广泛使用。本论文在镍基和钴基的基础上引入其他非贵金属,旨在进一步提高其分解水的能力。具体研究如下:1.用溶剂热法合成了不同钼掺杂量的1,3,5-均苯三甲酸镍基MOF（Mox-Ni-BTC）,然后通过微波硫化得到Mox-NiS2。利用扫描电子显微镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）、X-射线光电子能谱（XPS）等测试手段对其形貌、组成和物相进行分析...
【文章来源】：西华师范大学四川省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
利用和生产氢能的循环方式
第1章绪论2人的研究可知[7]，水的电解可分为两部分：阴极上的析氢反应（HER）和阳极上的析氧反应（OER），其中HER（2H2O+2e-=H2+2OH-）只涉及二电子转移，而OER（2H2O=O2+4e-+4H+）涉及四电子转移且动力学迟缓（（高过电势（η），ηa>ηc，图1-2）），因此OER成为电分解水制氢的瓶颈[8]。贵金属催化剂能提高电解水的效率[9]，但其价格昂贵成本高以至于不能被大规模应用。因此，找到能用于HER和OER的廉价且高效的非贵金属电催化剂意义重大。图1-2左边（HER）和右边（OER）的极化曲线。ηc和ηa分别是阴极和阳极在相同电流密度下的过电位。Figure1-2ThepolarizationcurvesofHER(left)andOER(right).ηcandηaareoverpotentialsofthecathodeandanodeatthesamecurrentdensity,respectively.电解水一般在电解槽中通过直流电进行。为了在电解过程中增加水的导电性，通常需要加入一定量的电解质（通常用酸或碱）来增加其导电能力，但由于酸液对电解槽有一定的腐蚀作用，故在工业中一般采用在碱性溶液（如KOH）中电解水来制氢气和氧气。两极的反应式如下：碱性电解质溶液中：阴极反应：2H2O+2e-→H2+2OH-阳极反应：4OH-→O2+2H2O+4e-总反应式：2H2O→2H2+O2酸性电解质溶液中：阴极反应：2H++2e-→H2阳极反应：2H2O→O2+4H++4e-总反应式：2H2O→2H2+O2电化学分解水在热力学理论上的标准电极电势为1.23V[10]，但受电解质溶液、金属导体导电性、表面气泡和接触电阻等因素影响，使电分解水实际电压高于理论值（1.23V），这些多施加的电压叫超电势（过电势）[11]。造成这一现象更主要
第1章绪论3的原因在于阳极和阴极反应涉及多电子转移，造成了反应动力学能磊的增加。综上，因为电能损耗基本集中在析氧过电位和析氢过电位，因此提高碱性溶液的电解效率的关键在于降低析氧过电位以及析氢过电位[12]。同时在实际电解水制备氧过程中，析氧过电位要比析氢过电位大得多，因此讨论如何高效降低析氧电位对于提高碱性电解水的效率有重要的意义[13]。目前降低析氧过电位的大部分重要思路是：控制温度；研制新型析氧阳极材料，或者是提高现有析氧阳极材料的电催化性能，降低阳极过电位[14]。图1-3电化学分解水示意图Figure1-3Schematicillustrationofelectrochemicalwatersplitting1.1.2电化学测试1.1.2.1电化学测试条件电化学工作站（Electrochemicalworkstation）是在电化学研究和教学中常用的测量设备。在电分解水的研究中，常采用三电极体系进行相关测试，如图1-4所示，为电化学工作台示意图。通常，把催化剂负载在玻碳或导电玻璃（如FTO）上作为工作电极，需要注意的是，为了保证试验的重现性，需要对工作电极进行预处理。比如催化剂材料为粉末时，要利用三氧化二铝粉末对玻碳电极进行打磨，之后用蒸馏水冲洗干净待自然晾干后还需要在自检液中进行自检，检验结果合格方可用催化剂进行修饰。此外，三电极体系中常以铂或石墨这类性质稳定的材料作为对电极，也叫辅助电极，工作时与工作电极组成串联回路，只起导电点作用。特别提醒，最近很多文献表明，长时间在电化学实验体系中测试需要用石墨作为对电极，因为在长时间的测试中Pt会溶解，导致工作电极扫描时会出现沉积Pt的现象，进而影响工作电极的活性。同样，参比电极常用氯化银电极或Hg/HgO电极。在进行测试之前，还需要考虑催化剂状态，若为一个整体时，可直接当工作电极使用
本文编号：3297545
【文章来源】：西华师范大学四川省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
利用和生产氢能的循环方式
第1章绪论2人的研究可知[7]，水的电解可分为两部分：阴极上的析氢反应（HER）和阳极上的析氧反应（OER），其中HER（2H2O+2e-=H2+2OH-）只涉及二电子转移，而OER（2H2O=O2+4e-+4H+）涉及四电子转移且动力学迟缓（（高过电势（η），ηa>ηc，图1-2）），因此OER成为电分解水制氢的瓶颈[8]。贵金属催化剂能提高电解水的效率[9]，但其价格昂贵成本高以至于不能被大规模应用。因此，找到能用于HER和OER的廉价且高效的非贵金属电催化剂意义重大。图1-2左边（HER）和右边（OER）的极化曲线。ηc和ηa分别是阴极和阳极在相同电流密度下的过电位。Figure1-2ThepolarizationcurvesofHER(left)andOER(right).ηcandηaareoverpotentialsofthecathodeandanodeatthesamecurrentdensity,respectively.电解水一般在电解槽中通过直流电进行。为了在电解过程中增加水的导电性，通常需要加入一定量的电解质（通常用酸或碱）来增加其导电能力，但由于酸液对电解槽有一定的腐蚀作用，故在工业中一般采用在碱性溶液（如KOH）中电解水来制氢气和氧气。两极的反应式如下：碱性电解质溶液中：阴极反应：2H2O+2e-→H2+2OH-阳极反应：4OH-→O2+2H2O+4e-总反应式：2H2O→2H2+O2酸性电解质溶液中：阴极反应：2H++2e-→H2阳极反应：2H2O→O2+4H++4e-总反应式：2H2O→2H2+O2电化学分解水在热力学理论上的标准电极电势为1.23V[10]，但受电解质溶液、金属导体导电性、表面气泡和接触电阻等因素影响，使电分解水实际电压高于理论值（1.23V），这些多施加的电压叫超电势（过电势）[11]。造成这一现象更主要
第1章绪论3的原因在于阳极和阴极反应涉及多电子转移，造成了反应动力学能磊的增加。综上，因为电能损耗基本集中在析氧过电位和析氢过电位，因此提高碱性溶液的电解效率的关键在于降低析氧过电位以及析氢过电位[12]。同时在实际电解水制备氧过程中，析氧过电位要比析氢过电位大得多，因此讨论如何高效降低析氧电位对于提高碱性电解水的效率有重要的意义[13]。目前降低析氧过电位的大部分重要思路是：控制温度；研制新型析氧阳极材料，或者是提高现有析氧阳极材料的电催化性能，降低阳极过电位[14]。图1-3电化学分解水示意图Figure1-3Schematicillustrationofelectrochemicalwatersplitting1.1.2电化学测试1.1.2.1电化学测试条件电化学工作站（Electrochemicalworkstation）是在电化学研究和教学中常用的测量设备。在电分解水的研究中，常采用三电极体系进行相关测试，如图1-4所示，为电化学工作台示意图。通常，把催化剂负载在玻碳或导电玻璃（如FTO）上作为工作电极，需要注意的是，为了保证试验的重现性，需要对工作电极进行预处理。比如催化剂材料为粉末时，要利用三氧化二铝粉末对玻碳电极进行打磨，之后用蒸馏水冲洗干净待自然晾干后还需要在自检液中进行自检，检验结果合格方可用催化剂进行修饰。此外，三电极体系中常以铂或石墨这类性质稳定的材料作为对电极，也叫辅助电极，工作时与工作电极组成串联回路，只起导电点作用。特别提醒，最近很多文献表明，长时间在电化学实验体系中测试需要用石墨作为对电极，因为在长时间的测试中Pt会溶解，导致工作电极扫描时会出现沉积Pt的现象，进而影响工作电极的活性。同样，参比电极常用氯化银电极或Hg/HgO电极。在进行测试之前，还需要考虑催化剂状态，若为一个整体时，可直接当工作电极使用
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