钴基钙钛矿型电催化剂的优化和电化学性能研究
发布时间：2021-07-27 19:14
能源问题关乎人类的可持续发展。随着化石燃料的过度使用,环境污染、全球气候变暖和温室效应等问题显著突出。人类迫切需要寻找安全的、绿色的新型清洁能源。电解水是主要的制氢途径之一,在碱性溶液中,析氢反应动力学较为缓慢,从而需要额外的过电位。而目前使用的高性能催化剂主要采用贵金属,其不仅价格较高,稳定性也不能满足商业化的需要。因此,开发廉价、高催化活性以及高稳定性的电催化剂是实现高效制氢的关键。钙钛矿型氧化物是一类原料便宜、储量丰富和结构多样的多元氧化物。本文旨在通过元素A/B位掺杂方法以优化钙钛矿结构,并实现钙钛矿型氧化物高效催化析氢（HER）。具体的研究内容及结果如下:（1）通过P元素原位B位晶格掺杂和非原位表面改性制备了Ba0.5Sr0.5(Co0.8Fe0.2)0.95P0.05O3-δ(BSCFP0.05)和BSCFP-Ⅲ(NaH2PO2对Ba0.5
【文章来源】：暨南大学广东省 211工程院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢循环[9]
暨南大学硕士学位论文2氢能作为一种理想的清洁能源，具有重量轻、能量高、热值高、无污染、应用广等优势[10]。此外，氢能在能量与转换中可被循环利用，具有可再生性，如图1-1。因此，氢能具有其它新能源无法比拟的优势和应用前景[11,12]。为尽早实现氢能大规模的生产和使用，关键点在于开发出高效、稳定和廉价的催化剂。1.2氢气的制备1.2.1化石能源制氢目前，全球制氢主要依靠从化石燃料中提取氢，而大部分氢是从天然气和其他化石燃料制备[13]。如图1-2所示，96%的氢能是由化石燃料（如天然气、石油和煤）直接制备的，仅仅约4%的氢是通过电解水生产。图1-2.氢能的来源[14]Figure1-2.Currentsourcesofhydrogen[14]1.2.1.1天然气制氢天然气是一种主要由甲烷组的烃类气体混合物。目前，天然气制氢的主要方法包括天然气水蒸汽重整法和天然气部分氧化重整法[13]。天然气水蒸汽重整是最常见的制氢工艺，采用镍催化剂把天然气和水蒸气在800~900°C温度范围内进行催化，其对应化学反应如式1-1和式1-2所示，产物主要为氢气、一氧化碳以及二氧化碳混合气[15]。422CH+HOCO+3H1-1222CO+HOCO+H1-2天然气水蒸汽重整过程能耗高，而且在产氢气过程中伴随着大量的有害副产物二氧化碳的产生[13,16]。此外，该反应会放出大量热量，需要耐高温、保温效果好的
暨南大学硕士学位论文3材料作为反应器装置[17]。天然气部分氧化重整法又包括非催化部分氧化法和催化部分氧化法[18]，其主要的反应式如式1-3所示。非催化部分氧化法以甲烷和氧气混合体为原料，在1000~1500°C的高温下进行，得到氢气/一氧化碳比为1.6~1.8；反应强放热，因此出口温度可高达1400°C，导致对反应器材质的要求高且需要复杂的热回收装置来吸收反应热[19]。与非催化部分氧化法相比，催化部分氧化法是一种放热温和的制氢途径，在反应体系中加入催化剂后其操作温度在750~800°C，且反应接触时间短（<10-2s）和产物选择性高，最终生成氢气/一氧化碳比接近2的合成气。但是该方法存在催化剂失活和反应装置积碳的问题。422CH+1/2OCO+2H1-31.2.1.2煤炭制氢我国煤炭资源较为丰富，因此使用煤气化制氢是一种成本较低的制氢方法。煤气化是指煤在一定的温度、压力条件下，得到以氢气和一氧化碳为主的化学反应[20]。气化后的产物经过净化、一氧化碳变换和分离、提纯等处理步骤后可获得一定纯度的氢气[2]，典型的制氢过程如图1-3所示[21]。但煤气化制氢也存在较多的缺点，如生成大量的二氧化碳，另外高温下的氢气净化和分离具有较大的挑战性[22]。在煤气化制氢中，所涉及的主要反应如下：22C+HOCO+H1-4222CO+HOCO+H1-5图1-3.煤气化制化学品示意图[21]Figure1-3.Schematicdiagramshowinghowvariouschemicalsareproducedfromcoalgasification[21]
【参考文献】：
期刊论文
[1]水电解制氢非贵金属催化剂的研究进展[J]. 常进法,肖瑶,罗兆艳,葛君杰,刘长鹏,邢巍. 物理化学学报. 2016(07)
[2]能源革命:从化石能源到新能源[J]. 邹才能,赵群,张国生,熊波. 天然气工业. 2016(01)
[3]我国中长期经济发展中氢能消费量及CO2减排效果估算[J]. 马涛,孙佰清,郭海凤,吉洁,姜明辉. 太阳能学报. 2010(11)
[4]甲烷催化部分氧化制合成气研究新进展[J]. 路勇,沈师孔. 石油与天然气化工. 1997(01)
本文编号：3306380
【文章来源】：暨南大学广东省 211工程院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢循环[9]
暨南大学硕士学位论文2氢能作为一种理想的清洁能源，具有重量轻、能量高、热值高、无污染、应用广等优势[10]。此外，氢能在能量与转换中可被循环利用，具有可再生性，如图1-1。因此，氢能具有其它新能源无法比拟的优势和应用前景[11,12]。为尽早实现氢能大规模的生产和使用，关键点在于开发出高效、稳定和廉价的催化剂。1.2氢气的制备1.2.1化石能源制氢目前，全球制氢主要依靠从化石燃料中提取氢，而大部分氢是从天然气和其他化石燃料制备[13]。如图1-2所示，96%的氢能是由化石燃料（如天然气、石油和煤）直接制备的，仅仅约4%的氢是通过电解水生产。图1-2.氢能的来源[14]Figure1-2.Currentsourcesofhydrogen[14]1.2.1.1天然气制氢天然气是一种主要由甲烷组的烃类气体混合物。目前，天然气制氢的主要方法包括天然气水蒸汽重整法和天然气部分氧化重整法[13]。天然气水蒸汽重整是最常见的制氢工艺，采用镍催化剂把天然气和水蒸气在800~900°C温度范围内进行催化，其对应化学反应如式1-1和式1-2所示，产物主要为氢气、一氧化碳以及二氧化碳混合气[15]。422CH+HOCO+3H1-1222CO+HOCO+H1-2天然气水蒸汽重整过程能耗高，而且在产氢气过程中伴随着大量的有害副产物二氧化碳的产生[13,16]。此外，该反应会放出大量热量，需要耐高温、保温效果好的
暨南大学硕士学位论文3材料作为反应器装置[17]。天然气部分氧化重整法又包括非催化部分氧化法和催化部分氧化法[18]，其主要的反应式如式1-3所示。非催化部分氧化法以甲烷和氧气混合体为原料，在1000~1500°C的高温下进行，得到氢气/一氧化碳比为1.6~1.8；反应强放热，因此出口温度可高达1400°C，导致对反应器材质的要求高且需要复杂的热回收装置来吸收反应热[19]。与非催化部分氧化法相比，催化部分氧化法是一种放热温和的制氢途径，在反应体系中加入催化剂后其操作温度在750~800°C，且反应接触时间短（<10-2s）和产物选择性高，最终生成氢气/一氧化碳比接近2的合成气。但是该方法存在催化剂失活和反应装置积碳的问题。422CH+1/2OCO+2H1-31.2.1.2煤炭制氢我国煤炭资源较为丰富，因此使用煤气化制氢是一种成本较低的制氢方法。煤气化是指煤在一定的温度、压力条件下，得到以氢气和一氧化碳为主的化学反应[20]。气化后的产物经过净化、一氧化碳变换和分离、提纯等处理步骤后可获得一定纯度的氢气[2]，典型的制氢过程如图1-3所示[21]。但煤气化制氢也存在较多的缺点，如生成大量的二氧化碳，另外高温下的氢气净化和分离具有较大的挑战性[22]。在煤气化制氢中，所涉及的主要反应如下：22C+HOCO+H1-4222CO+HOCO+H1-5图1-3.煤气化制化学品示意图[21]Figure1-3.Schematicdiagramshowinghowvariouschemicalsareproducedfromcoalgasification[21]
【参考文献】：
期刊论文
[1]水电解制氢非贵金属催化剂的研究进展[J]. 常进法,肖瑶,罗兆艳,葛君杰,刘长鹏,邢巍. 物理化学学报. 2016(07)
[2]能源革命:从化石能源到新能源[J]. 邹才能,赵群,张国生,熊波. 天然气工业. 2016(01)
[3]我国中长期经济发展中氢能消费量及CO2减排效果估算[J]. 马涛,孙佰清,郭海凤,吉洁,姜明辉. 太阳能学报. 2010(11)
[4]甲烷催化部分氧化制合成气研究新进展[J]. 路勇,沈师孔. 石油与天然气化工. 1997(01)
本文编号：3306380
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