三元类水滑石超薄纳米片的制备及其电解水性能研究
发布时间：2021-09-04 22:10
严重的环境问题和化石燃料储量的锐减促使人们探索可持续的清洁能源,地球上的水资源储量丰富,因此电解水产氢是最有发展前途的方法之一。水的电解反应由析氧反应（Oxygen evolution reaction,OER）和析氢反应（Hydrogen evolution reaction,HER）两个半反应组成。因为OER过程动力学进程比较缓慢,反应能垒过高等原因,成为了限制电解水的瓶颈。因此开发具有较高催化活性的OER和HER电催化剂是有效催化电解水的关键所在。目前最好的HER催化剂是铂基碳材料（Pt/C）,最好的OER催化剂是铱基和钌基（IrO2、RuO2）催化剂。然而贵金属催化剂成本高、储量稀少,这些不利因素限制了它们的大规模利用。因此,迫切需要开发能用于可再生能源生产的高效、丰富和廉价的电催化剂。水滑石材料由于其独特的层状结构和理化性质引起了大家的广泛关注。本论文以镍、铁为原料,通过不同的方法制备了几种大小和形貌不同的镍铁水滑石纳米复合材料,并对其电化学性能进行了研究。主要内容如下:（1）以泡沫镍（Ni foam,NF）作为支撑载体,通过水热法...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢气的几种来源Fig1-1Severalsourcesofhydrogen
渲械缃馑?魄饧际跻殉晌??А⒉牧稀⒛茉吹?诸多领域的研究热点。电解水反应由析氢（HER）和析氧（OER）两个半反应组成[28-32]。从电化学角度出发，研究者们对这两个半反应都有着较为深入的研究，并设计出了许多种催化剂用于电解水性能研究。从催化反应的机理来说，OER涉及四电子进程而HER只涉及两电子转移过程。在水的电解中，OER的反应路径比HER的反应路径更复杂，在O2析出过程中涉及更多的反应中间体。这使得阳极的OER过程需要更多的能量（即过电位）以克服反应能垒，因此OER成为了电解水反应的研究难点和重点[33]。图1-2为一种自优化双功能电催化剂NiFe-LDH在碱性介质中电催化制氢示意图，其中FeOOH和Ni-H是在HER过程中形成的中间体，而γ-NiOOH是在OER过程中观察到的中间体[32]。根据酸碱性的不同，大致将电解质溶液分为三种：（1）碱性电解液，通常是1MKOH溶液；（2）中性电解液，通常是PBS或者是食盐水溶液；（3）酸性电解液，通常是硫酸稀释液[33]。图1-2碱性介质中电催化生成H2的原理图[33]Fig1-2SchematicrepresentationoftheelectrocatalyticgenerationofH2inalkalinemedia1.2.2析氧反应和析氢反应简介HER是电解池中较简单的反应，只有2个电子参与，反应能垒较低。而OER是一个有4个电子参与的反应，反应较大程度的偏离了氧的标准平衡电势（EθO2/H2O=1.23V）。这是由于氧分子中O=O双键的解离能高达493.59kJ/mol，具有较高的反应能垒，因此需要额外的吉布斯能才能完成反应。不同pH的电解液中，HER和OER发生的机理也不同。
青岛科技大学研究生学位论文7的可交换性，水滑石的结构特点导致其层间阴离子可以与各种阴离子交换，包括各种无机、有机阴离子以及其他可与之配位的阴离子等；（3）热稳定性能，LDH加热到一定温度时会发生发生分解，分解过程包括脱去层间水、碳酸根离子等阴离子以及层板羟基脱水等几个步骤。（4）记忆效应，在加热到一定温度时LDH转化成层状双金属氧化物（（LayeredDoubledOxide,LDO），将LDO放入水中又可以恢复LDH层状结构。一般来说，在温度低于500℃时，LDH的结构是有可能恢复的。基于LDH的以上几种特性，近年来LDH及其复合材料在环境保护、医疗健康、能量的转换与贮存以及催化加氢和石油裂解等方面得到了广泛应用。图1-3碳酸根离子插层的镁铝水滑石理论结构示意图Fig1-3Theidealizedstructureofcarbonate-intercalatedLDH1.3.2水滑石的制备方法天然的水滑石材料储量稀少，杂质多且种类有限，因此我们一般采用人工合成的办法来合成所需的水滑石材料。因为水滑石的结构和功能密切相关，因此我们必须使用合适的办法来合成具有特定结构和功能的水滑石材料。水滑石的主要合成方法有以下几种：（1）共沉淀法共沉淀法包括低饱和和高饱和两种。低饱和共沉淀法是指将金属盐溶液和碱溶液（氨水、KOH溶液等）同时加入到一定温度的蒸馏水中，经搅拌、陈化和离心收集就可以得到水滑石材料，这是一种常见的合成水滑石的方法。高饱和共沉淀法指将金属盐溶液和碱溶液分别加热至反应温度，然后同时倒入加热的去离子水中，剧烈搅拌，这种方法一般用于制备大块的水滑石。如果想得到晶型更加完
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈电解水制氢的原理及发展[J]. 王茂辉,吴震. 汽车实用技术. 2019(15)
[2]ZnAl和MgAl水滑石吸附废水中磷的研究进展[J]. 唐朝春,陈惠民,刘名,叶鑫. 化工进展. 2015(01)
[3]水滑石对PVC的热稳定特性与机理[J]. 毛芳,吴茂英,赖文华. 塑料. 2010(06)
[4]纳米水滑石与Hela细胞的生物相容性研究[J]. 刘丹丹,付聪,李岩,袭著革,杨旭. 生态毒理学报. 2008(03)
博士论文
[1]过渡金属氧化物纳米结构的可控合成和电化学性能研究[D]. 张继君.电子科技大学 2019
[2]过渡金属基纳米结构的设计与电催化性能研究[D]. 蔡钊.北京化工大学 2018
[3]多价态锰基氧化物纳米材料的设计合成及性能研究[D]. 郝新丽.湖南大学 2013
硕士论文
[1]超薄类水滑石纳米片-碳复合物的制备及其电催化性能研究[D]. 孙源.青岛科技大学 2019
[2]基于类水滑石的环境友好阻燃剂的研究与应用[D]. 朱玉刚.苏州科技学院 2012
[3]焙烧镁铝碳酸根水滑石在含氯废水处理中的应用基础研究[D]. 胡静.浙江大学 2005
本文编号：3384098
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢气的几种来源Fig1-1Severalsourcesofhydrogen
渲械缃馑?魄饧际跻殉晌??А⒉牧稀⒛茉吹?诸多领域的研究热点。电解水反应由析氢（HER）和析氧（OER）两个半反应组成[28-32]。从电化学角度出发，研究者们对这两个半反应都有着较为深入的研究，并设计出了许多种催化剂用于电解水性能研究。从催化反应的机理来说，OER涉及四电子进程而HER只涉及两电子转移过程。在水的电解中，OER的反应路径比HER的反应路径更复杂，在O2析出过程中涉及更多的反应中间体。这使得阳极的OER过程需要更多的能量（即过电位）以克服反应能垒，因此OER成为了电解水反应的研究难点和重点[33]。图1-2为一种自优化双功能电催化剂NiFe-LDH在碱性介质中电催化制氢示意图，其中FeOOH和Ni-H是在HER过程中形成的中间体，而γ-NiOOH是在OER过程中观察到的中间体[32]。根据酸碱性的不同，大致将电解质溶液分为三种：（1）碱性电解液，通常是1MKOH溶液；（2）中性电解液，通常是PBS或者是食盐水溶液；（3）酸性电解液，通常是硫酸稀释液[33]。图1-2碱性介质中电催化生成H2的原理图[33]Fig1-2SchematicrepresentationoftheelectrocatalyticgenerationofH2inalkalinemedia1.2.2析氧反应和析氢反应简介HER是电解池中较简单的反应，只有2个电子参与，反应能垒较低。而OER是一个有4个电子参与的反应，反应较大程度的偏离了氧的标准平衡电势（EθO2/H2O=1.23V）。这是由于氧分子中O=O双键的解离能高达493.59kJ/mol，具有较高的反应能垒，因此需要额外的吉布斯能才能完成反应。不同pH的电解液中，HER和OER发生的机理也不同。
青岛科技大学研究生学位论文7的可交换性，水滑石的结构特点导致其层间阴离子可以与各种阴离子交换，包括各种无机、有机阴离子以及其他可与之配位的阴离子等；（3）热稳定性能，LDH加热到一定温度时会发生发生分解，分解过程包括脱去层间水、碳酸根离子等阴离子以及层板羟基脱水等几个步骤。（4）记忆效应，在加热到一定温度时LDH转化成层状双金属氧化物（（LayeredDoubledOxide,LDO），将LDO放入水中又可以恢复LDH层状结构。一般来说，在温度低于500℃时，LDH的结构是有可能恢复的。基于LDH的以上几种特性，近年来LDH及其复合材料在环境保护、医疗健康、能量的转换与贮存以及催化加氢和石油裂解等方面得到了广泛应用。图1-3碳酸根离子插层的镁铝水滑石理论结构示意图Fig1-3Theidealizedstructureofcarbonate-intercalatedLDH1.3.2水滑石的制备方法天然的水滑石材料储量稀少，杂质多且种类有限，因此我们一般采用人工合成的办法来合成所需的水滑石材料。因为水滑石的结构和功能密切相关，因此我们必须使用合适的办法来合成具有特定结构和功能的水滑石材料。水滑石的主要合成方法有以下几种：（1）共沉淀法共沉淀法包括低饱和和高饱和两种。低饱和共沉淀法是指将金属盐溶液和碱溶液（氨水、KOH溶液等）同时加入到一定温度的蒸馏水中，经搅拌、陈化和离心收集就可以得到水滑石材料，这是一种常见的合成水滑石的方法。高饱和共沉淀法指将金属盐溶液和碱溶液分别加热至反应温度，然后同时倒入加热的去离子水中，剧烈搅拌，这种方法一般用于制备大块的水滑石。如果想得到晶型更加完
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈电解水制氢的原理及发展[J]. 王茂辉,吴震. 汽车实用技术. 2019(15)
[2]ZnAl和MgAl水滑石吸附废水中磷的研究进展[J]. 唐朝春,陈惠民,刘名,叶鑫. 化工进展. 2015(01)
[3]水滑石对PVC的热稳定特性与机理[J]. 毛芳,吴茂英,赖文华. 塑料. 2010(06)
[4]纳米水滑石与Hela细胞的生物相容性研究[J]. 刘丹丹,付聪,李岩,袭著革,杨旭. 生态毒理学报. 2008(03)
博士论文
[1]过渡金属氧化物纳米结构的可控合成和电化学性能研究[D]. 张继君.电子科技大学 2019
[2]过渡金属基纳米结构的设计与电催化性能研究[D]. 蔡钊.北京化工大学 2018
[3]多价态锰基氧化物纳米材料的设计合成及性能研究[D]. 郝新丽.湖南大学 2013
硕士论文
[1]超薄类水滑石纳米片-碳复合物的制备及其电催化性能研究[D]. 孙源.青岛科技大学 2019
[2]基于类水滑石的环境友好阻燃剂的研究与应用[D]. 朱玉刚.苏州科技学院 2012
[3]焙烧镁铝碳酸根水滑石在含氯废水处理中的应用基础研究[D]. 胡静.浙江大学 2005
本文编号：3384098
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