具有二维和三维结构的钴基电催化材料的合成及其电催化应用
发布时间：2021-07-23 08:33
日益加剧的全球能源和环境问题,给人类社会带来重大影响。开发经济、高效和可持续的能源储存、转换体系为解决能源和环境问题提供了可行的方案。在众多的能源储存转化体系中,电解水制氢及金属空气电池装置具有高效、稳定、可持续的优点和广泛的应用前景,因而受到了广泛的关注。这些装置的运行主要涉及到了三种关键的电催化反应,即析氢反应（Hydrogen evolution reaction,HER）、析氧反应（Oxygen evolution reaction,OER）及氧还原反应（Oxygen reduction reaction,ORR）。然而这些电催化反应都不能在理论分解电位下进行,通常需要很大的过电位驱动才能发生。因此,设计合成结构稳定、具有高反应效率的电催化剂非常关键。目前广泛使用的贵金属基催化剂,如Pt/C、RuO2和IrO2等对反应过程展现出较好的催化活性,但贵金属在地壳中丰度很低且价格昂贵,因而严重阻碍了其大规模应用。设计合成廉价、高效、多功能的电催化剂对于打破电化学能量转换设备应用瓶颈及缓解能源问题至关重要。本文从过渡金属钴基材料出发,以提升催...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
HER催化剂中一些金属和MoS2的火山型曲线
吉林大学硕士学位论文4MOOH+H2O(l)M+O2(g)+H++e-碱性条件中阳极反应为：4H2O+4e-2H2+4OH-E0c=-0.83V碱性条件中阴极反应为：4OH-2H2+2H2O(l)+4e-E0a=-0.40V碱性条件下反应的机理为：M+OH-MOHMOH+OH-MO+H2O(l)2MO2M+O2(g)MO+OH-MOOH+e-MOOH+OH-M+O2(g)+H2O(l)图1.2析氧反应在酸性环境中的机理以及在碱性中的机理，分别对应图中蓝色曲线以及红色曲线。对于产生氧气这一步骤，有两种可能的路线，一种是黑色线所代表的经过M-OOH的路线，另一种是两个相邻的（M-O）中间体直接反应生成氧气即绿色线代表的反应路径[14]。1.2.3氧还原反应氧还原反应(oxygenreductionreaction，ORR)是一种四电子或两电子反应[5,28]。在燃料电池中我们更期待通过四电子路径以获得更高的效率，而两电子反应路径通常用以制备H2O2[28,29]。具体实验过程种ORR的反应路径是由催化剂表面氧分解势垒决定的，在碱性溶液中四电子路径有两种可能的反应机理[30]：
吉林大学硕士学位论文6图1.3金属的氧还原反应火山型图[30]。1.2.4评价催化剂的参数过电位：过电位是用以评价催化剂催化表现最重要的标准之一，它可以给出实测电势与热力学平衡电位之间的电位差[17,34-35]。通常在理想状态下，驱动反应发生的电势应等于反应达到平衡时的电势；但在实际反应中，为了克服反应的电极动力学势垒，反应通常需要施加更大的电势来驱动反应发生。过电位通常分为活化过电位、浓差过电位以及阻抗过电位；活化过电位可以通过使用合适的电催化剂来降低；浓差过电位是由溶液和电子表面离子扩散率的不同而造成的，它可以通过搅拌来降低；另一个过电位是由阻抗引起的过电位，发生在测试系统的表面以及界面处，表界面的电阻会引起明显的电压降，使得测得的过电位明显大于真实值，它可以使用iR补偿来抵消其对测试造成的影响。阻抗的值可以通过电化学工作站测得，也可以从Nyquist曲线中直接读出。塔菲尔斜率：通过重新绘制极化曲线图我们可以得到塔菲尔曲线图，进一步拟合塔菲尔曲线图我们可以得到塔菲尔斜率。塔菲尔斜率越小也就代表着在增加同样电流密度所需的过电位越小，也就意味着更快的电荷传导动力学。但是从极化曲线所得的塔菲尔斜率其中包含部分催化剂阻抗的贡献，这可能是过多催化剂负载或差的电导率所导致的[14,17,36-38]。转换频率：定义为催化剂在单位时间每一催化剂位点所能转化期望产物所需反应物的数量，我们可以通过这一指标评估催化剂位点的本征活性[17]。然而，对
【参考文献】：
期刊论文
[1]New design paradigm for heterogeneous catalysts[J]. Aleksandra Vojvodic,Jens K.N?rskov. National Science Review. 2015(02)
本文编号：3298954
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
HER催化剂中一些金属和MoS2的火山型曲线
吉林大学硕士学位论文4MOOH+H2O(l)M+O2(g)+H++e-碱性条件中阳极反应为：4H2O+4e-2H2+4OH-E0c=-0.83V碱性条件中阴极反应为：4OH-2H2+2H2O(l)+4e-E0a=-0.40V碱性条件下反应的机理为：M+OH-MOHMOH+OH-MO+H2O(l)2MO2M+O2(g)MO+OH-MOOH+e-MOOH+OH-M+O2(g)+H2O(l)图1.2析氧反应在酸性环境中的机理以及在碱性中的机理，分别对应图中蓝色曲线以及红色曲线。对于产生氧气这一步骤，有两种可能的路线，一种是黑色线所代表的经过M-OOH的路线，另一种是两个相邻的（M-O）中间体直接反应生成氧气即绿色线代表的反应路径[14]。1.2.3氧还原反应氧还原反应(oxygenreductionreaction，ORR)是一种四电子或两电子反应[5,28]。在燃料电池中我们更期待通过四电子路径以获得更高的效率，而两电子反应路径通常用以制备H2O2[28,29]。具体实验过程种ORR的反应路径是由催化剂表面氧分解势垒决定的，在碱性溶液中四电子路径有两种可能的反应机理[30]：
吉林大学硕士学位论文6图1.3金属的氧还原反应火山型图[30]。1.2.4评价催化剂的参数过电位：过电位是用以评价催化剂催化表现最重要的标准之一，它可以给出实测电势与热力学平衡电位之间的电位差[17,34-35]。通常在理想状态下，驱动反应发生的电势应等于反应达到平衡时的电势；但在实际反应中，为了克服反应的电极动力学势垒，反应通常需要施加更大的电势来驱动反应发生。过电位通常分为活化过电位、浓差过电位以及阻抗过电位；活化过电位可以通过使用合适的电催化剂来降低；浓差过电位是由溶液和电子表面离子扩散率的不同而造成的，它可以通过搅拌来降低；另一个过电位是由阻抗引起的过电位，发生在测试系统的表面以及界面处，表界面的电阻会引起明显的电压降，使得测得的过电位明显大于真实值，它可以使用iR补偿来抵消其对测试造成的影响。阻抗的值可以通过电化学工作站测得，也可以从Nyquist曲线中直接读出。塔菲尔斜率：通过重新绘制极化曲线图我们可以得到塔菲尔曲线图，进一步拟合塔菲尔曲线图我们可以得到塔菲尔斜率。塔菲尔斜率越小也就代表着在增加同样电流密度所需的过电位越小，也就意味着更快的电荷传导动力学。但是从极化曲线所得的塔菲尔斜率其中包含部分催化剂阻抗的贡献，这可能是过多催化剂负载或差的电导率所导致的[14,17,36-38]。转换频率：定义为催化剂在单位时间每一催化剂位点所能转化期望产物所需反应物的数量，我们可以通过这一指标评估催化剂位点的本征活性[17]。然而，对
【参考文献】：
期刊论文
[1]New design paradigm for heterogeneous catalysts[J]. Aleksandra Vojvodic,Jens K.N?rskov. National Science Review. 2015(02)
本文编号：3298954
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3298954.html
