碲化镍的改性及电催化析氢性能研究
发布时间：2021-09-08 16:43
当前,能源短缺、环境污染以及温室效应等问题日益严峻,因此科学界掀起了一场研究氢能作为未来理想能源的浪潮。电解水制氢技术,由于原料为水,廉价易得,且制备工艺简单,有望成为绿色可持续产氢的主要方法。电解水制氢由于需要消耗大量的电能,因此需要使用催化剂来降低能耗。迄今为止,地球储量较小的贵金属Pt的电催化析氢性能最好,但价格昂贵,不利于大规模的开发应用。过渡金属硫属化合物以其低廉的价格和较好的电解水析氢性能受到了人们的广泛关注。镍因其储量大,催化活性高,被认为是最有前途的催化元素之一。硫属化合物中,与硫化物和硒化物相比,碲化物表现出更多的金属特性,更利于电催化中的电子转移。又由于碲元素电负性较小,形成Te-H键的强度(238 kJ mol-1)较同族元素较低,更有利于电解水析氢反应中H原子的脱附。目前,提高材料电催化析氢性能的方法主要有增加活性位点数、提高材料导电率、优化催化位点活性等。本论文制备了NiTe2纳米材料并利用掺杂、离子辐照及复合g-C3N4等手段对其进行性能调控,通过对其电催化析氢性能的研究...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解槽装置的示意图[22]
第1章绪论4Heyrovsky反应，电化学脱附：Hads+H++e-→H2(1-7)Tafel反应，化学脱附：Hads+Hads→H2(1-8)在电解水析氢反应过程中，首先发生Volmer反应，在电解水催化剂的活性位点上电子与质子被吸附，在电极表面反应产生吸附的氢原子(Hads)。随后进行Heyrovsky反应或Tafel反应，或两者同时进行。无论进行哪一条路径，吸附的氢原子(Hads)始终参与HER过程，而吸附和脱附过程的快慢决定了电解水反应的速率。标准状况下(即反应温度为25℃，压力为101.325kPa)，在任何电解质中，促使水分解反应的理论热力学电压为1.23V；但是在实际的操作中必须施加大于1.23V的电压才能顺利促使水分解。因此过电位(overpotential，η)的概念被提出，即为了克服阳极过电位(ηa)和阴极过电位(ηc)的内在活化障碍，以及其他过电位(ηother)，包括溶液电阻和电极与溶液接触电阻而超出理论热力学电压的电位。因此，水电解的实际操作电压(EOP/V)可用下式表示：EOP=1.23+ηa+ηc+ηother(1-9)由上式可以看出，为了加速电解水大规模的工业应用，尽一切努力降低催化反应中的过电位是关键问题。1.3过渡金属析氢电催化剂的研究进展图1-2用于构建HER电催化剂的元素[22]Fig.1-2ElementsthatareusedforconstructingHERelectrocatalysts图1-2列举了可以用作析氢反应电催化剂的组成元素。根据其物理和化学性质,大致可分为三类:(i)贵金属铂(Pt)-最先进的HER电催化剂;(ii)不含贵金属的过渡金属,主要包括钼(Mo)，钨(W)，铁(Fe),钴(Co),镍(Ni),铜(Cu);(iii)不含贵金属的非金属,主要包括硼(B),碳(C),氮(N),磷(P),硫(S)和硒(Se)。研究者们已经基于上述
第1章绪论6图1-3（a,b）的TEM图像，（c）SAED图案和（d）CoP纳米颗粒的HRTEM图像，（e）CoP的MnP型晶体结构的两个视图Fig.1-3(a,b)TEMimages,(c)SAEDpattern,and(d)HRTEMimageofCoPnanoparticles,(e)TwoviewsoftheMnP-typecrystalstructureofCoP1.3.2过渡金属碳化物2012年，Hu研究组[37]首次观察到碳化钼，实际上是β-Mo2C无论在酸性还是碱性介质中均表现出超高的HER活性和稳定性。此外，Leonard研究组[38]合成了四种不同晶相的Mo-C(图1-4)，包括α-MoC1-x，η-MoC，γ-MoC和β-Mo2C，并比较了它们在酸性溶液中的HER催化活性，发现四种不同晶相对HER的催化活性按α-MoC1-x＜η-MoC＜γ-MoC＜β-Mo2C的顺序增加。受这些开创性研究的启发，人们积极追求碳化钼催化剂的精细结构优化，因此Mo2C纳米线[39]、3D有序多孔MoxC(x=1或2)[40]等被相继研究，发现所得材料在酸性溶液中具有高电导率和较高的HER催化活性。据相关报道，二维的石墨烯以及三维的碳纳米材料除了可以固定Mo2C纳米团簇，又可以为Mo2C的合成提供碳源，并且得到的Mo2C-纳米碳复合材料具有超高的析氢性能。例如Sasaki研究组[41]以碳纳米管为碳源，制备了Mo2C-碳纳米管复合材料，显示出较好的的电催化析氢活性和超强的稳定性。此外，Mo2C-石墨烯和Mo2C-纳米碳-纳米管也被其他研究组合成[42,43]。在Mo2C-纳米碳-纳米管三元复合材料和碳纳米管-石墨烯复合材料中，石墨烯和碳纳米管可以有效抑制Mo2C晶体聚集、为电极材料与电解液提供较大的接触面积、促进电子转移，进而提高Mo2C的电催化析氢活性。
【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)
本文编号：3391132
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解槽装置的示意图[22]
第1章绪论4Heyrovsky反应，电化学脱附：Hads+H++e-→H2(1-7)Tafel反应，化学脱附：Hads+Hads→H2(1-8)在电解水析氢反应过程中，首先发生Volmer反应，在电解水催化剂的活性位点上电子与质子被吸附，在电极表面反应产生吸附的氢原子(Hads)。随后进行Heyrovsky反应或Tafel反应，或两者同时进行。无论进行哪一条路径，吸附的氢原子(Hads)始终参与HER过程，而吸附和脱附过程的快慢决定了电解水反应的速率。标准状况下(即反应温度为25℃，压力为101.325kPa)，在任何电解质中，促使水分解反应的理论热力学电压为1.23V；但是在实际的操作中必须施加大于1.23V的电压才能顺利促使水分解。因此过电位(overpotential，η)的概念被提出，即为了克服阳极过电位(ηa)和阴极过电位(ηc)的内在活化障碍，以及其他过电位(ηother)，包括溶液电阻和电极与溶液接触电阻而超出理论热力学电压的电位。因此，水电解的实际操作电压(EOP/V)可用下式表示：EOP=1.23+ηa+ηc+ηother(1-9)由上式可以看出，为了加速电解水大规模的工业应用，尽一切努力降低催化反应中的过电位是关键问题。1.3过渡金属析氢电催化剂的研究进展图1-2用于构建HER电催化剂的元素[22]Fig.1-2ElementsthatareusedforconstructingHERelectrocatalysts图1-2列举了可以用作析氢反应电催化剂的组成元素。根据其物理和化学性质,大致可分为三类:(i)贵金属铂(Pt)-最先进的HER电催化剂;(ii)不含贵金属的过渡金属,主要包括钼(Mo)，钨(W)，铁(Fe),钴(Co),镍(Ni),铜(Cu);(iii)不含贵金属的非金属,主要包括硼(B),碳(C),氮(N),磷(P),硫(S)和硒(Se)。研究者们已经基于上述
第1章绪论6图1-3（a,b）的TEM图像，（c）SAED图案和（d）CoP纳米颗粒的HRTEM图像，（e）CoP的MnP型晶体结构的两个视图Fig.1-3(a,b)TEMimages,(c)SAEDpattern,and(d)HRTEMimageofCoPnanoparticles,(e)TwoviewsoftheMnP-typecrystalstructureofCoP1.3.2过渡金属碳化物2012年，Hu研究组[37]首次观察到碳化钼，实际上是β-Mo2C无论在酸性还是碱性介质中均表现出超高的HER活性和稳定性。此外，Leonard研究组[38]合成了四种不同晶相的Mo-C(图1-4)，包括α-MoC1-x，η-MoC，γ-MoC和β-Mo2C，并比较了它们在酸性溶液中的HER催化活性，发现四种不同晶相对HER的催化活性按α-MoC1-x＜η-MoC＜γ-MoC＜β-Mo2C的顺序增加。受这些开创性研究的启发，人们积极追求碳化钼催化剂的精细结构优化，因此Mo2C纳米线[39]、3D有序多孔MoxC(x=1或2)[40]等被相继研究，发现所得材料在酸性溶液中具有高电导率和较高的HER催化活性。据相关报道，二维的石墨烯以及三维的碳纳米材料除了可以固定Mo2C纳米团簇，又可以为Mo2C的合成提供碳源，并且得到的Mo2C-纳米碳复合材料具有超高的析氢性能。例如Sasaki研究组[41]以碳纳米管为碳源，制备了Mo2C-碳纳米管复合材料，显示出较好的的电催化析氢活性和超强的稳定性。此外，Mo2C-石墨烯和Mo2C-纳米碳-纳米管也被其他研究组合成[42,43]。在Mo2C-纳米碳-纳米管三元复合材料和碳纳米管-石墨烯复合材料中，石墨烯和碳纳米管可以有效抑制Mo2C晶体聚集、为电极材料与电解液提供较大的接触面积、促进电子转移，进而提高Mo2C的电催化析氢活性。
【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)
本文编号：3391132
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