镍基磷化物复合催化剂的制备及其催化电解水性能研究
发布时间：2021-10-25 11:50
电解水制氢技术具有环保、过程简单、无副反应、副产物生产等优点,被认为是进行工业化制氢的理想选择之一。但是,由于阳极、阴极和其它因素所引起的过电势的存在,严重地降低了电解水制氢效率。相关文献报道:过渡金属磷化物及其复合催化剂不仅含量丰富、价格便宜而且催化效率较高,所以关于在此基础上进一步提高它们催化性能,从而替代Pt/C、RuO2和Ir O2等贵金属催化剂的研究将是一件特别有意义的事情。本论文以具有良好导电性能的三维（3D）镍箔或多孔泡沫镍为基底,通过电沉积法或水热法得到镍基催化剂前驱体,再经过一步原位气相磷化,制备出了多种具有高催化性能的独特3D结构的镍基磷化物复合电催化剂。通过多种物理表征和电催化性质测试,探索了镍基磷化物复合电催化剂的微观结构、组成成分及其对电催化性能的影响,并研究了它们的电催化活性得到明显提高的原因,将为之后设计和控制合成一系列廉价、高催化性能的电催化剂提供一定的帮助。（1）经过两步电沉积和原位气相磷化成功地构建了生长在镍箔（NF）表面的FeP纳米粒子包覆的3D自组装的Ni2P纳米管（Fe P@Ni2P/NF）材料,并且详细地研究了其形貌、尺寸、组成成分和催化原理...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：116 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于电催化作用的绿色能源转化示意图[3]
淮铀?贫?甭士梢钥闯龅绱呋?恋拇呋??ρЦ叩停?塔菲尔斜越小，说明其催化动力学越高；阻抗值的大小可以直接反应出电催化剂的本质导电性强弱，有助于确定其作用的电解水体系中的电子传输快慢，从而推测电解水过程进行的快慢。另外，稳定性也是评价电催化剂性能的一个重要参数，只有具有长时间稳定性的电催化剂才能更好地应用于实际电解水反应中。1.2.2电催化析氢反应原理电催化析氢反应是水电离出的H+在阴极上的还原过程,具体反应方程式如表1-1所示，它一般包括液相传质、电化学反应、脱附和氢气从表面逸出四个步骤，如图1-2所示：图1-2电催化析氢反应的过程转化示意图[10]Fig.1-2Diagramoftheprocesstransformationofelectrocatalytichydrogenevolutionreaction[10]
青岛科技大学研究生学位论文5电化学反应过程和脱附过程通常情况下是HER速率的控制步骤。由于电催化析氢反应是在电极表面发生的一种由多步基元反应而组成的复合反应，所以现阶段关于电催化析氢反应的具体原理还处于一种众说纷纭的状态，其中迟缓放电理论认为反应机理如：(1-1)，(1-2)和(1-3)三步所示，总反应速率由分步反应中速率最慢的一步所决定，对应的关系式如(1-4)所示，整理后即为Tafel斜率公式，如(1-5)式所示，表示在一定的过电势下，电流和电势的关系，式中j为电流密度，j0为交换电流密度，logj0为化学反应达到平衡时的反应速率,可以用它来衡量催化剂电子转移速率快慢，它的数量级大小会影响电化学反应迅速与否，b(b=RT/αF)为塔菲尔斜率，是电催化剂材料的固有属性，由HER反应的速率控制步骤决定，其数值大小会影响HER的反应速率，值越小反应速率就随过电势的增加而增加得越快，显然这将更有利于进行实际应用，因此研究出低塔菲尔斜率和高交换电流密度的电催化剂材料成为相关领域研究者们所努力的方向。H3O+e-+M→M-H+H2O（慢）(1-1)M-H+M-H→H2+M（快）(1-2)M-H+H3O+e-→H2+M+H2O（快）(1-3)j=j0exp(αzFη/RT)(1-4)η=blog(j/j0)(1-5)由于酸碱条件下的反应机制基本相同。通常用氢吸附自由能(GH)来表征催化剂的催化活性，GH越接近于0析氢反应越容易进行，几种常见金属的氢吸附自由能与催化活性的关系呈现出如图1-3所示的“火山型”关系，从图中可以看出贵金属Pt的△GH≈0是目前报道的催化活性最高的HER催化材料，除此之外过渡金属Ni、Cu、Co、W和Mo的氢吸附自由能相对来说也比较小，有望替代贵金属基催化剂材料。图1-3电催化析氢反的金属火山型示意图[3]Fig.1-3HERvolcanoplotformetals[3]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Single-crystalline layered double hydroxides with rich defects and hierarchical structure by mild reduction for enhancing the oxygen evolution reaction[J]. Peng Zhou,Junying He,Yuqin Zou,Yanyong Wang,Chao Xie,Ru Chen,Shuangquan Zang,Shuangyin Wang. Science China（Chemistry）. 2019(10)
[2]水电解电极材料[J]. 安宁宁,姚沛. 无机盐工业. 2003(05)
本文编号：3457339
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：116 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于电催化作用的绿色能源转化示意图[3]
淮铀?贫?甭士梢钥闯龅绱呋?恋拇呋??ρЦ叩停?塔菲尔斜越小，说明其催化动力学越高；阻抗值的大小可以直接反应出电催化剂的本质导电性强弱，有助于确定其作用的电解水体系中的电子传输快慢，从而推测电解水过程进行的快慢。另外，稳定性也是评价电催化剂性能的一个重要参数，只有具有长时间稳定性的电催化剂才能更好地应用于实际电解水反应中。1.2.2电催化析氢反应原理电催化析氢反应是水电离出的H+在阴极上的还原过程,具体反应方程式如表1-1所示，它一般包括液相传质、电化学反应、脱附和氢气从表面逸出四个步骤，如图1-2所示：图1-2电催化析氢反应的过程转化示意图[10]Fig.1-2Diagramoftheprocesstransformationofelectrocatalytichydrogenevolutionreaction[10]
青岛科技大学研究生学位论文5电化学反应过程和脱附过程通常情况下是HER速率的控制步骤。由于电催化析氢反应是在电极表面发生的一种由多步基元反应而组成的复合反应，所以现阶段关于电催化析氢反应的具体原理还处于一种众说纷纭的状态，其中迟缓放电理论认为反应机理如：(1-1)，(1-2)和(1-3)三步所示，总反应速率由分步反应中速率最慢的一步所决定，对应的关系式如(1-4)所示，整理后即为Tafel斜率公式，如(1-5)式所示，表示在一定的过电势下，电流和电势的关系，式中j为电流密度，j0为交换电流密度，logj0为化学反应达到平衡时的反应速率,可以用它来衡量催化剂电子转移速率快慢，它的数量级大小会影响电化学反应迅速与否，b(b=RT/αF)为塔菲尔斜率，是电催化剂材料的固有属性，由HER反应的速率控制步骤决定，其数值大小会影响HER的反应速率，值越小反应速率就随过电势的增加而增加得越快，显然这将更有利于进行实际应用，因此研究出低塔菲尔斜率和高交换电流密度的电催化剂材料成为相关领域研究者们所努力的方向。H3O+e-+M→M-H+H2O（慢）(1-1)M-H+M-H→H2+M（快）(1-2)M-H+H3O+e-→H2+M+H2O（快）(1-3)j=j0exp(αzFη/RT)(1-4)η=blog(j/j0)(1-5)由于酸碱条件下的反应机制基本相同。通常用氢吸附自由能(GH)来表征催化剂的催化活性，GH越接近于0析氢反应越容易进行，几种常见金属的氢吸附自由能与催化活性的关系呈现出如图1-3所示的“火山型”关系，从图中可以看出贵金属Pt的△GH≈0是目前报道的催化活性最高的HER催化材料，除此之外过渡金属Ni、Cu、Co、W和Mo的氢吸附自由能相对来说也比较小，有望替代贵金属基催化剂材料。图1-3电催化析氢反的金属火山型示意图[3]Fig.1-3HERvolcanoplotformetals[3]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Single-crystalline layered double hydroxides with rich defects and hierarchical structure by mild reduction for enhancing the oxygen evolution reaction[J]. Peng Zhou,Junying He,Yuqin Zou,Yanyong Wang,Chao Xie,Ru Chen,Shuangquan Zang,Shuangyin Wang. Science China（Chemistry）. 2019(10)
[2]水电解电极材料[J]. 安宁宁,姚沛. 无机盐工业. 2003(05)
本文编号：3457339
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3457339.html
