用于清洁能源技术中可调控的高效电催化剂的研制
发布时间：2021-10-19 12:23
能源危机和环境问题是21世纪最受关注的问题之一,能源短缺和日益加剧的环境问题使得寻找可再生能源和清洁能源的技术的课题成为研究热点。氢气是一种清洁的、能量高的可再生能源,电化学分解水技术是一种有发展前景的制氢技术,它包括析氢反应（HER）和析氧反应（OER）两个半反应。为了加快整体水电解的速率,电催化剂的使用必不可少,因此开发高效、廉价、环境友好的水分解反应催化剂十分必要。由于过渡金属及其化合物具有地球储量丰富、价格低和导电性高等一系列优点,成为具有应用潜力的一类电化学催化剂。为了提高材料的电催化活性,本论文以三维多孔结构的镍泡沫（NF）材料为基底,以过渡金属V、Fe、Co、Ni为原料,制备了三种用于析氢和析氧反应的全水电解催化剂,具体工作如下:一.以V、Fe为金属中心的金属有机骨架材料（MOFs）为前驱体,经过低温磷化制备了铁掺杂的磷化钒电催化剂。利用MOFs结构可控、比表面积大、孔径可调等优点,通过调节两种金属的比例来实现对最终磷化物材料的比表面积、化学组成的调控,从而达到优化催化性能的目的。同时,产生的过渡金属磷化物可以提高材料的导电性,有利于HER和OER反应的进行。二.利用水热...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可再生氢能源的制备方法[29]
第1章绪论3图1.2全水电解结构示意图1.2.1析氢反应机理电催化析氢反应(Hydrogenevolutionreaction，HER)本质上是一个在电极/电解质界面处发生的还原反应的电化学过程。根据电解质的pH值的不同，通过还原质子(H+)或H2O两种反应途径产生H2，两者都包括一系列分步反应。Tafel斜率是过电位与电流密度的对数值在线性区域的斜率，它可以通过绘制相应的LSV曲线来计算得到。通常，阐明不同HER电催化剂的确切工作机理是很困难的的一项工作。然而，Tafel斜率通常可以作为速率确定步骤的参考数值，并且可以对可能的反应途径提供一些解释。理论上来讲Tafel斜率分为三种[34-36]：Volmerstep(~120mVdec-1)、Heyrovskystep(40~120mVdec-1)、Tafelstep(~30mVdec-1)。HER在酸性、碱性电解质中的反应机理如下[37,38]：Volmer步骤(酸性条件):+→(1-5)Volmer步骤(碱性条件):+→+(1-6)Volmer-Tafel:+→(1-7)Volmer-Heyrovsky:++→(1-8)从方程中看到，电极表面的氢吸附和解吸是HER电催化的两个连续步骤。然而，两个过程在本质上是有竞争的:如果催化剂与氢原子结合强度太弱则不能有效地吸附中间反应物，而结合强度太强的催化剂将不利于产物的释放。因此，理想的HER电催化剂应该具有良好平衡的氢结合强度和气体释放能力。根据Sabatier原理，HER的动力学速率在很大程度上取决于催化剂与H*之间的相互作用强度。[39,40]通过绘制不
第1章绪论4同催化剂H表面吸附能与交换电流密度形成的反应速率曲线，S.Trasatti为HER反应机理构建了第一条火山型曲线，发现Pt处于火山型曲线的顶点。[31,41]。在2004年，Nrskov’s小组收集了各种金属的HER交换电流密度的实验数据，用密度泛函理论(DFT)计算了氢在不同过渡金属上的吸附自由能，并给出了第一个现代火山图，如图1.3所示。[42]结果完美地阐明了HER的反应机理，并提供了直观的描述，揭示了HER的活性与氢结合能的关系。对于HER反应，相比于酸性电解液，在碱性电解液中产生质子(H+)需要更多的能量，所以大多数催化剂在碱性电解质中具有更缓慢的HER反应动力学。然而，酸性电解质具有强腐蚀性，对大多数电极具有腐蚀作用，不利于催化剂的稳定性，所以在实际工业生产中，更多的利用碱性溶液作为HER反应的电解液。图1.3H表面吸附的吉布斯自由能与交换电流密度的火山型曲线[42]1.2.2析氧反应机理电化学析氧反应(Oxygenevolutionreaction，OER)是电解水的关键步骤，由于OER是全水电解反应的决速步骤，所以其机理被研究者所关注，以求制备性能更加优异的电催化剂。在酸性和碱性条件下，一般认为OER反应机理分别如下：[43,44]酸性条件总反应：2→4+4+(1-9)各步反应：+++(1-10)++(1-11)+++(1-12)+++(1-13)
【参考文献】：
期刊论文
[1]NiS2/CoS2/MoS2纳米片阵列:一种高效、廉价的碱性析氢电催化剂（英文）[J]. 张洋,石梦童,汪长征,朱亚星,李念武,蒲雄,于爱芳,翟俊宜. Science Bulletin. 2020(05)
[2]传统和新型制氢方法概述[J]. 陈思晗,张珂,常丽萍,王辉. 天然气化工（C1化学与化工）. 2019(02)
[3]氢能利用的发展现状及趋势[J]. 汪广溪. 低碳世界. 2017(29)
博士论文
[1]功能钼钴基纳米材料的制备及其在电化学领域中的应用[D]. 朱晓青.中国科学技术大学 2019
[2]非贵金属电催化剂的合成及其性能研究[D]. 张显.中国科学技术大学 2018
硕士论文
[1]钴基过渡双金属电化学析氧催化剂的合成及性能研究[D]. 蔡福仙.闽南师范大学 2018
[2]高效水解离催化剂的制备及其析氢性能与机理研究[D]. 吴宜尚.中南林业科技大学 2018
[3]MOFs衍生纳米催化剂的合成及其电解水性能的研究[D]. 王翔.兰州大学 2018
本文编号：3444866
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可再生氢能源的制备方法[29]
第1章绪论3图1.2全水电解结构示意图1.2.1析氢反应机理电催化析氢反应(Hydrogenevolutionreaction，HER)本质上是一个在电极/电解质界面处发生的还原反应的电化学过程。根据电解质的pH值的不同，通过还原质子(H+)或H2O两种反应途径产生H2，两者都包括一系列分步反应。Tafel斜率是过电位与电流密度的对数值在线性区域的斜率，它可以通过绘制相应的LSV曲线来计算得到。通常，阐明不同HER电催化剂的确切工作机理是很困难的的一项工作。然而，Tafel斜率通常可以作为速率确定步骤的参考数值，并且可以对可能的反应途径提供一些解释。理论上来讲Tafel斜率分为三种[34-36]：Volmerstep(~120mVdec-1)、Heyrovskystep(40~120mVdec-1)、Tafelstep(~30mVdec-1)。HER在酸性、碱性电解质中的反应机理如下[37,38]：Volmer步骤(酸性条件):+→(1-5)Volmer步骤(碱性条件):+→+(1-6)Volmer-Tafel:+→(1-7)Volmer-Heyrovsky:++→(1-8)从方程中看到，电极表面的氢吸附和解吸是HER电催化的两个连续步骤。然而，两个过程在本质上是有竞争的:如果催化剂与氢原子结合强度太弱则不能有效地吸附中间反应物，而结合强度太强的催化剂将不利于产物的释放。因此，理想的HER电催化剂应该具有良好平衡的氢结合强度和气体释放能力。根据Sabatier原理，HER的动力学速率在很大程度上取决于催化剂与H*之间的相互作用强度。[39,40]通过绘制不
第1章绪论4同催化剂H表面吸附能与交换电流密度形成的反应速率曲线，S.Trasatti为HER反应机理构建了第一条火山型曲线，发现Pt处于火山型曲线的顶点。[31,41]。在2004年，Nrskov’s小组收集了各种金属的HER交换电流密度的实验数据，用密度泛函理论(DFT)计算了氢在不同过渡金属上的吸附自由能，并给出了第一个现代火山图，如图1.3所示。[42]结果完美地阐明了HER的反应机理，并提供了直观的描述，揭示了HER的活性与氢结合能的关系。对于HER反应，相比于酸性电解液，在碱性电解液中产生质子(H+)需要更多的能量，所以大多数催化剂在碱性电解质中具有更缓慢的HER反应动力学。然而，酸性电解质具有强腐蚀性，对大多数电极具有腐蚀作用，不利于催化剂的稳定性，所以在实际工业生产中，更多的利用碱性溶液作为HER反应的电解液。图1.3H表面吸附的吉布斯自由能与交换电流密度的火山型曲线[42]1.2.2析氧反应机理电化学析氧反应(Oxygenevolutionreaction，OER)是电解水的关键步骤，由于OER是全水电解反应的决速步骤，所以其机理被研究者所关注，以求制备性能更加优异的电催化剂。在酸性和碱性条件下，一般认为OER反应机理分别如下：[43,44]酸性条件总反应：2→4+4+(1-9)各步反应：+++(1-10)++(1-11)+++(1-12)+++(1-13)
【参考文献】：
期刊论文
[1]NiS2/CoS2/MoS2纳米片阵列:一种高效、廉价的碱性析氢电催化剂（英文）[J]. 张洋,石梦童,汪长征,朱亚星,李念武,蒲雄,于爱芳,翟俊宜. Science Bulletin. 2020(05)
[2]传统和新型制氢方法概述[J]. 陈思晗,张珂,常丽萍,王辉. 天然气化工（C1化学与化工）. 2019(02)
[3]氢能利用的发展现状及趋势[J]. 汪广溪. 低碳世界. 2017(29)
博士论文
[1]功能钼钴基纳米材料的制备及其在电化学领域中的应用[D]. 朱晓青.中国科学技术大学 2019
[2]非贵金属电催化剂的合成及其性能研究[D]. 张显.中国科学技术大学 2018
硕士论文
[1]钴基过渡双金属电化学析氧催化剂的合成及性能研究[D]. 蔡福仙.闽南师范大学 2018
[2]高效水解离催化剂的制备及其析氢性能与机理研究[D]. 吴宜尚.中南林业科技大学 2018
[3]MOFs衍生纳米催化剂的合成及其电解水性能的研究[D]. 王翔.兰州大学 2018
本文编号：3444866
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3444866.html
