贵金属负载及其基底电化学性质的研究
发布时间：2021-10-12 22:46
能源需求的增加跟全球气候变暖是人类面临的全新挑战。全球变暖带来的一系列极端气候问题越来越警示着人类做出改变。开发清洁是解决这些问题最关键的一步。氢能是最清洁的绿色能源,开发利用氢能对于应对全球变暖和能源危机有着非常重要的意义。电解水制氢无污染且环境友好,但是水分解过程动力学缓慢而造成能耗过高。因此,开发优良的析氢（hydrogen evolution reaction,HER）跟析氧（oxygen evolution reaction,OER）催化剂,来加速水分解的动力学过程,是解决这一难题的关键。近年来,非贵金属催化剂的水分解催化性能取得了长足的进步,但是跟贵金属催化剂相比还是有很大差距。从减少成本、增加催化性能的角度上来说,减小贵金属催化剂的尺寸是提升贵金属催化剂有效利用率的重要策略,本文采用参杂、电化学置换等方式制备贵金属负载的复合材料并进行了电化学性能的测试。研究内容如下:（1）通过限制在KIT-6的介孔内的IrCl3/Co（NO3）2的热解,制备了分散良好的亚纳米级（SNS）Ir修饰的介孔Co3
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
酸性电解水示意图
贵金属负载及其基底电化学性质的研究6图1.2催化剂的发展策略。图中左侧为增大催化剂单位面积活性为点数目的方法，图中右侧为增加催化剂每个活性位点固有活性的方法[57]Figure1.2Catalystdevelopmentstrategies.Schematicofvariouscatalystdevelopmentstrategies,whichaimtoincreasethenumberofactivesitesand/orincreasetheintrinsicactivityofeachactivesite电化学水分解受制于过电位造成的能耗过大跟动力学缓慢等问题需要使用高效催化剂。根据热力学第二定律得知热是跟途径有关系的因此在反应中寻找合适的催化剂降低活化能就显得尤为重要。根据以往的报道增加催化剂本领的策略主要又两种[58]：（1）增加催化剂单位面积上活性位点的数目；（2）增加催化剂每个活性位点的固有属性。幸运的是这两种方法并不互斥，因此在设计催化剂时候的最佳策略应该同时涉及这两个方面。如图1.2所示列举了各个增加催化剂单位面积内活性位点数目的方法。最简单的为增加催化剂的负载量，但是增加负载量收受到物理面积的制约并不能无限制的增大，并且增加负载量也意味着增大电极的制造成本。因此要在用量跟性能之间找到一个最佳的制衡点。另外的方法还包括广泛报道的形貌法，即通过合成保持固定形貌的纳米材料来增加活性位点的数目。将催化剂纳米化是催化剂的合成的重要策略，例如构造合成各种纳米结构。但是材料的尺寸足够小的时候由于表面能大，因此在实际应用中很容易发生团聚，因此将小尺寸的材料负载在稳定的材料上也是不可或缺的方法，例如碳纳米管、石墨烯被当作载体基底的研究有很大的进展。另外提升催化剂每个活性位点固有活性的方法也有了大量的报道，例如合金化、限域、构造核壳结构等。这些方法主要是调控原子的的电子云分布来到达增强单个活性位
青岛科技大学研究生学位论文7根据J.D.Benck等人的研究报道，增加活性位点的数目并不能一直的线性增加催化剂的催化本领，在是由于在活性位点在增加到一定数目以后，由于受到传质限制因此催化剂的本领并不能无限增加[59]。然而增加每个活性位点的固有活性却几乎可以无限制的提升催化剂的催化本领。因此在实际应用中要首先考虑增加催化剂每个活性位点的固有属性。近年来一些非贵金属催化剂虽然在酸性HER跟碱性OER取得了瞩目的成果但是在开发与之相匹配的碱性HER跟酸性OER催化剂的研究却一直以来是公共的科学性难题。虽然在电化学水分解的报道近来来呈现出“劣币驱除优币”的趋势，但是根据T.F.Jaramillo等人的报道好的催化剂与差的催化剂固有活性位点之间的差距可达3个数量级[60]。因此在开发催化剂我们并不能放弃贵金属的使用，要推广贵金属的使用少了它的用量就显得尤为关键因此我们可以使用负载的方式减少催化剂的用量。1.4.1催化剂的选择图1.3HER火山图Figure1.3HERvolcanoplot（1）过渡金属碳化物、氮化物过渡金属碳化物（TMCs）及氮化物（TMNs）具备出色的结构性质、电导率及化学耐腐蚀性，在电催化领域有广泛的应用。自从上世纪70年代科学家Levy和Boudart报道碳化物具有类似贵金属铂的催化本领以后，越来越的科学家开始研究过渡金属碳化物及氮化物在二次能源储存与转换方面的应用[61]。过渡金属碳化物和过渡金属氮化物在本征催化本领上与其相应的金属不同，而与第VIII族的贵金属主族相近。他们特殊的结构决定了这一特性，它们表达出的这一特性也是特殊电子结构的表达，因为C或N原子的嵌入，使原本的金
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于在线分析的电网清洁能源消纳调度策略及实例分析[J]. 陈浩,贺鹏程,石辉,崔挺,张凯,徐民. 湖南电力. 2018(03)
[2]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：3433449
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
酸性电解水示意图
贵金属负载及其基底电化学性质的研究6图1.2催化剂的发展策略。图中左侧为增大催化剂单位面积活性为点数目的方法，图中右侧为增加催化剂每个活性位点固有活性的方法[57]Figure1.2Catalystdevelopmentstrategies.Schematicofvariouscatalystdevelopmentstrategies,whichaimtoincreasethenumberofactivesitesand/orincreasetheintrinsicactivityofeachactivesite电化学水分解受制于过电位造成的能耗过大跟动力学缓慢等问题需要使用高效催化剂。根据热力学第二定律得知热是跟途径有关系的因此在反应中寻找合适的催化剂降低活化能就显得尤为重要。根据以往的报道增加催化剂本领的策略主要又两种[58]：（1）增加催化剂单位面积上活性位点的数目；（2）增加催化剂每个活性位点的固有属性。幸运的是这两种方法并不互斥，因此在设计催化剂时候的最佳策略应该同时涉及这两个方面。如图1.2所示列举了各个增加催化剂单位面积内活性位点数目的方法。最简单的为增加催化剂的负载量，但是增加负载量收受到物理面积的制约并不能无限制的增大，并且增加负载量也意味着增大电极的制造成本。因此要在用量跟性能之间找到一个最佳的制衡点。另外的方法还包括广泛报道的形貌法，即通过合成保持固定形貌的纳米材料来增加活性位点的数目。将催化剂纳米化是催化剂的合成的重要策略，例如构造合成各种纳米结构。但是材料的尺寸足够小的时候由于表面能大，因此在实际应用中很容易发生团聚，因此将小尺寸的材料负载在稳定的材料上也是不可或缺的方法，例如碳纳米管、石墨烯被当作载体基底的研究有很大的进展。另外提升催化剂每个活性位点固有活性的方法也有了大量的报道，例如合金化、限域、构造核壳结构等。这些方法主要是调控原子的的电子云分布来到达增强单个活性位
青岛科技大学研究生学位论文7根据J.D.Benck等人的研究报道，增加活性位点的数目并不能一直的线性增加催化剂的催化本领，在是由于在活性位点在增加到一定数目以后，由于受到传质限制因此催化剂的本领并不能无限增加[59]。然而增加每个活性位点的固有活性却几乎可以无限制的提升催化剂的催化本领。因此在实际应用中要首先考虑增加催化剂每个活性位点的固有属性。近年来一些非贵金属催化剂虽然在酸性HER跟碱性OER取得了瞩目的成果但是在开发与之相匹配的碱性HER跟酸性OER催化剂的研究却一直以来是公共的科学性难题。虽然在电化学水分解的报道近来来呈现出“劣币驱除优币”的趋势，但是根据T.F.Jaramillo等人的报道好的催化剂与差的催化剂固有活性位点之间的差距可达3个数量级[60]。因此在开发催化剂我们并不能放弃贵金属的使用，要推广贵金属的使用少了它的用量就显得尤为关键因此我们可以使用负载的方式减少催化剂的用量。1.4.1催化剂的选择图1.3HER火山图Figure1.3HERvolcanoplot（1）过渡金属碳化物、氮化物过渡金属碳化物（TMCs）及氮化物（TMNs）具备出色的结构性质、电导率及化学耐腐蚀性，在电催化领域有广泛的应用。自从上世纪70年代科学家Levy和Boudart报道碳化物具有类似贵金属铂的催化本领以后，越来越的科学家开始研究过渡金属碳化物及氮化物在二次能源储存与转换方面的应用[61]。过渡金属碳化物和过渡金属氮化物在本征催化本领上与其相应的金属不同，而与第VIII族的贵金属主族相近。他们特殊的结构决定了这一特性，它们表达出的这一特性也是特殊电子结构的表达，因为C或N原子的嵌入，使原本的金
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于在线分析的电网清洁能源消纳调度策略及实例分析[J]. 陈浩,贺鹏程,石辉,崔挺,张凯,徐民. 湖南电力. 2018(03)
[2]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：3433449
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