基于静电自组装构建层状镍铁氢氧化物基复合材料及其电催化性能研究
发布时间：2021-08-11 15:44
析氧反应（OER）作为能量转化反应的关键组成部分,在水分解等可再生能源技术中具有广泛的应用,近年来已被大量研究。由于其动力学过程缓慢和大的过电位,阳极上的OER反应被视为电解水的主要瓶颈,因此,有必要构建和设计具有较低过电位的OER电催化剂以提高能量转换效率。目前的研究表明,贵金属氧化物（IrO2和RuO2）被认为是最佳的OER电催化剂,但是成本高昂和资源匮乏限制了它们的进一步应用,因此有必要开发具有低成本和高催化活性的非贵金属OER电催化剂。层状双金属氢氧化物（LDH）由于其独特的二维结构和较好的本征OER催化活性使其在该领域表现出巨大的应用潜力。因此,本论文以NiFe-双金属氢氧化物（NiFe-LDH）为研究对象,通过剥离的策略来暴露其催化活性位点,然后与其他二维材料组装,通过调控组装结构和催化剂表面的电荷分布来提升OER活性。本论文的主要研究内容和相关结论如下:（1）开发了一种环境友好且高效的固相剥离策略实现了NiFe-LDH和氧化石墨烯（GO）的完全剥离,并通过静电组装的方式制备NiFe-LDH/RGO（NFRG）纳米复合材料。各项测...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于电催化下的可持续能源途径[1]
西南科技大学硕士学位论文2通过电化学方法将丰富的水资源转变为可再生的氢能源是目前最有前景的制氢技术之一。图1-2为水分解电解槽示意图[2]，从图中可以看出，电解水反应是由阴极和阳极上发生的两个半反应组成，分别对应于析氢反应（Hydrogenevolutionreaction，HER）和析氧反应（Oxygenevolutionreaction，OER）。理论上，常温常压下，在电解槽阴极上发生的HER和在阳极上发生的OER的电极电势分别为0.00V和1.23V，所以在常温常压下，驱动电解水反应发生所需电压的理论最小值为1.23V。然而在实际情况下，无论是在阴极还是阳极，其电极反应都涉及到多步的电子转移过程（目前的研究普遍认为，HER反应涉及两个电子的转移，而OER反应则是一个四电子过程），而每一步的电子转移过程在一定程度上都会引入反应动力学能垒，从而使得反应的活化能升高，最终导致电解水反应的实际电压值远高于理论上的最小电压值[3]。因此通常需要在阴极和阳极引入催化剂来降低催化反应所需要的的活化能，提高能量转换效率。由于阳极上发生的OER反应的反应机理比较复杂，涉及到多步的质子耦合电子转移，与HER反应相比具有更大的动力学障碍，因此阳极上的OER反应也被认为是影响电解水效率的主要因素[4]。图1-2水分解电解槽示意图[2]1.3析氧反应机理在电解水反应中，与发生在阴极上的HER相比，阳极上发生的OER是一个电子耦合非常困难的四电子反应，每产生一个氧气分子需要四个电子的转移，所以在通常情况下需要施加一个较大的电压才能驱动电极反应的发生。此外，OER反应对pH具有高度的依赖性，在碱性、中性或酸性的条件下存在不同的催化反应机理，图1-3为水电解过程中OER的催化循环，在不同的酸碱条件下对应的催化反应机理如下所示[5,6]：1.2电解水系统
1绪论3图1-3水电解中OER的催化循环[5]在碱性条件下：OH-+*→OH*+e-(1-1)OH*+OH-→O*+H2O+e-(1-2)2O*→O2+2*(1-3)O*+OH-→OOH*+e-(1-4)OOH*+OH-→O2+*+H2O+e-(1-5)在中性或酸性条件下：H2O+*→OH*+H++e-(1-6)OH*+OH-→O*+H2O+e-(1-7)2O*→O2+2*(1-9)O*+H2O→OOH*+H++e-(1-10)OOH*+H2O→O2+*+H++e-(1-11)在上述公式中，*代表的是催化剂材料表面上存在的催化活性位点，而O*、OH*以及OOH*则代表的是OER反应过程中形成的中间产物。在碱性条件下，电解质溶液中OH-的浓度大，所以催化剂材料表面的催化活性位点会直接与OH-结合并发生电化学反应，而在酸性或中性条件下，溶液中的OH-只能来自于H2O，所以第一步的反应为水的解离。从以上公式中可以看到，无论是在碱性条件下还是在中性或酸性条件下，关于O2的产生可能存在两种不同的催化途径：其中一种途径是在形成O*（（1-2）和（1-7））中间体之后，两个O*会发生结合生成一个O2分子（（1-3）和（1-9））；另一种途径是
【参考文献】：
期刊论文
[1]Adsorption-energy-based activity descriptors for electrocatalysts in energy storage applications[J]. Youwei Wang,Wujie Qiu,Erhong Song,Feng Gu,Zhihui Zheng,Xiaolin Zhao,Yingqin Zhao,Jianjun Liu,Wenqing Zhang. National Science Review. 2018(03)
本文编号：3336433
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于电催化下的可持续能源途径[1]
西南科技大学硕士学位论文2通过电化学方法将丰富的水资源转变为可再生的氢能源是目前最有前景的制氢技术之一。图1-2为水分解电解槽示意图[2]，从图中可以看出，电解水反应是由阴极和阳极上发生的两个半反应组成，分别对应于析氢反应（Hydrogenevolutionreaction，HER）和析氧反应（Oxygenevolutionreaction，OER）。理论上，常温常压下，在电解槽阴极上发生的HER和在阳极上发生的OER的电极电势分别为0.00V和1.23V，所以在常温常压下，驱动电解水反应发生所需电压的理论最小值为1.23V。然而在实际情况下，无论是在阴极还是阳极，其电极反应都涉及到多步的电子转移过程（目前的研究普遍认为，HER反应涉及两个电子的转移，而OER反应则是一个四电子过程），而每一步的电子转移过程在一定程度上都会引入反应动力学能垒，从而使得反应的活化能升高，最终导致电解水反应的实际电压值远高于理论上的最小电压值[3]。因此通常需要在阴极和阳极引入催化剂来降低催化反应所需要的的活化能，提高能量转换效率。由于阳极上发生的OER反应的反应机理比较复杂，涉及到多步的质子耦合电子转移，与HER反应相比具有更大的动力学障碍，因此阳极上的OER反应也被认为是影响电解水效率的主要因素[4]。图1-2水分解电解槽示意图[2]1.3析氧反应机理在电解水反应中，与发生在阴极上的HER相比，阳极上发生的OER是一个电子耦合非常困难的四电子反应，每产生一个氧气分子需要四个电子的转移，所以在通常情况下需要施加一个较大的电压才能驱动电极反应的发生。此外，OER反应对pH具有高度的依赖性，在碱性、中性或酸性的条件下存在不同的催化反应机理，图1-3为水电解过程中OER的催化循环，在不同的酸碱条件下对应的催化反应机理如下所示[5,6]：1.2电解水系统
1绪论3图1-3水电解中OER的催化循环[5]在碱性条件下：OH-+*→OH*+e-(1-1)OH*+OH-→O*+H2O+e-(1-2)2O*→O2+2*(1-3)O*+OH-→OOH*+e-(1-4)OOH*+OH-→O2+*+H2O+e-(1-5)在中性或酸性条件下：H2O+*→OH*+H++e-(1-6)OH*+OH-→O*+H2O+e-(1-7)2O*→O2+2*(1-9)O*+H2O→OOH*+H++e-(1-10)OOH*+H2O→O2+*+H++e-(1-11)在上述公式中，*代表的是催化剂材料表面上存在的催化活性位点，而O*、OH*以及OOH*则代表的是OER反应过程中形成的中间产物。在碱性条件下，电解质溶液中OH-的浓度大，所以催化剂材料表面的催化活性位点会直接与OH-结合并发生电化学反应，而在酸性或中性条件下，溶液中的OH-只能来自于H2O，所以第一步的反应为水的解离。从以上公式中可以看到，无论是在碱性条件下还是在中性或酸性条件下，关于O2的产生可能存在两种不同的催化途径：其中一种途径是在形成O*（（1-2）和（1-7））中间体之后，两个O*会发生结合生成一个O2分子（（1-3）和（1-9））；另一种途径是
【参考文献】：
期刊论文
[1]Adsorption-energy-based activity descriptors for electrocatalysts in energy storage applications[J]. Youwei Wang,Wujie Qiu,Erhong Song,Feng Gu,Zhihui Zheng,Xiaolin Zhao,Yingqin Zhao,Jianjun Liu,Wenqing Zhang. National Science Review. 2018(03)
本文编号：3336433
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