二维过渡金属纳米阵列的制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-10-30 08:35
日益严重的能源危机和环境污染问题,迫使全球努力开发清洁和可再生能源,以取代传统的化石燃料。氢能因为具有资源丰富,热值高,清洁等优点,已成为最有前途的能源载体之一。然而,目前大约90%的氢是通过碳氢化合物转化产生的,这既不节能也不环保。电化学水分解（2H2O→O2+2H2）作为一种清洁高效的制氢和储氢方法,近年来得到了广泛的研究。因此,探索一种高效、经济、耐用的水分解电催化剂具有重要意义。目前最先进的催化剂主要为贵金属基催化剂（HER的Pt电极以及OER的IrO2和RuO2电极）,然而贵金属高成本、稀缺性的缺点限制了电解水的进一步发展。在近几年的研究中,廉价易得的过渡金属因其独特的电子构型,表现出了优异的电化学性能,显示出了可替代贵金属作为电解水催化剂的潜力。本论文针对过渡金属化合物（如硫化物,磷化物,氢氧化物）的优点及存在的缺陷,结合一些导电基底材料（如泡沫镍（NF））的优点,分别从材料组成、形貌、电极结构等方面对其进行了改进,以提高其电化学水分解性能,具体的研究工作如下:1....
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电化学水分解系统的示意图
青岛科技大学研究生学位论文5火山图上可以观察到，最理想的催化剂应该存在于火山图的顶峰，例如，Pt族金属的ΔGH值是接近于零的。图1-2.DFT计算的吸附氢吉布斯自由能与实验测量的交换电流密度的火山图[19]Fig.1-2.AvolcanoplotofexperimentallymeasuredexchangecurrentdensityasafunctionoftheDFT-calculatedGibbsfreeenergyofadsorbedatomichydrogen[19]1.3.2OER机理在标准条件下，OER的热力学电位为1.23V，但是在实际测试中不可避免地会产生额外的过电位。有研究发现，除了IrO2材料外，发生在所有催化剂上的OER的基本步骤通常包括催化剂表面的OH和O的吸收[21]。此过程通常在碱性溶液中进行，与HER过程相似：OH-+*→OHads+e-；(1-12)OHads+OH-→H2O+Oads+e-；(1-13)其中*表示催化剂表面的氢氧根离子吸附位点，并且存在两种产生氧气的反应途径[22]：一步直接反应：Oads+Oads→O2；(1-14)两个中间产物Oads直接结合生成氧气。两步间接反应：Oads+OH-→OOHads+e-；(1-15)OOHads+OH-→O2+H2O+e-；(1-16)Oads首先与OH-反应生成OOHads，再与OH-偶联生成氧气。一步反应通常比二步反
青岛科技大学研究生学位论文351.76V)[117]、NiC/NiMo/NiMoOx(1.57V)[122]、FeCoNi@G(1.687V)[121]、NiCo2S4/NF纳米线阵列(1.63V)[143]、Ni2P/NF(1.49V)[145]、Ni(PO3)2-MnPO4(1.41V)[119]。并且，其催化性能与报道的最优的(Co，Fe，Ni)9S8-MoS2(1.429V)催化剂[118]相差无几，有希望在整体水分解上大规模应用。为了验证MoS2@Ni(OH)2/NF材料作为双电极体系的耐久性，对电极进行了长时间的I-T测试。如图3-4d所示，在1.46V的外加电压下，其电流密度稳定在10mAcm-2，在长达50小时的运行后，曲线保持平滑状态，电流密度几乎没有任何衰减，表现出极佳的稳定性。值得注意的是，目前的MoS2@Ni(OH)2/NF的耐久性(50h)比Ni2P-CoP/N-rGO(10h)[112]、FeCoNi@G(10h)[121]、MoS2/Ni3S2@NF(10h)[141]、Ni(PO3)2-MnPO4(50h)[119]、MoS2-Ni3S2/NF(48h)[140]和Cu@CoFeLDH(48h)[144]均要优秀。为了进一步评估催化剂的稳定性，经过长达50个小时的稳定性测试后，重新用SEM(图3-5a)、EDX(图3-5b)光谱以及XRD(图3-5c)表征了MoS2@Ni(OH)2/NF的微观形貌和电子结构变化。从上述特征可以看到，经过50小时以上的耐久性试验，MoS2@Ni(OH)2/NF催化剂可以很好地保持其形貌、组分和晶体结构，表现出良好的稳定性。图3-5.经稳定性测试后的MoS2@Ni(OH)2的(a)SEM图像；(b)EDX光谱和(c)XRD图谱；插图为放大后的SEM图像Fig.3-5.(a)SEMimage,(b)EDXspectrumand(c)XRDpatternofMoS2@Ni(OH)2cathodeafterstabilitytest.TheinsetshowsthemagnifiedSEMimage.
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光直写制备三维自支撑NiS2/MoS2复合电催化剂应用于碱性和中性电解水制氢（英文）[J]. 程鹏飞,冯婷,刘紫薇,吴德垚,杨静. 催化学报. 2019(08)
[2]水热法-高温煅烧处理制备NixCo1-xMoO4纳米片阵列/泡沫Ni复合材料及其赝电容性能研究[J]. 余大江,郭绍义,袁永锋,张志强. 浙江理工大学学报(自然科学版). 2016(06)
[3]硫碘热化学循环水分解制氢流程优化与模拟[J]. 陈云,王书婕,王智化,林祥东,张彦威,周俊虎,岑可法. 能源工程. 2013(06)
本文编号：3466416
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电化学水分解系统的示意图
青岛科技大学研究生学位论文5火山图上可以观察到，最理想的催化剂应该存在于火山图的顶峰，例如，Pt族金属的ΔGH值是接近于零的。图1-2.DFT计算的吸附氢吉布斯自由能与实验测量的交换电流密度的火山图[19]Fig.1-2.AvolcanoplotofexperimentallymeasuredexchangecurrentdensityasafunctionoftheDFT-calculatedGibbsfreeenergyofadsorbedatomichydrogen[19]1.3.2OER机理在标准条件下，OER的热力学电位为1.23V，但是在实际测试中不可避免地会产生额外的过电位。有研究发现，除了IrO2材料外，发生在所有催化剂上的OER的基本步骤通常包括催化剂表面的OH和O的吸收[21]。此过程通常在碱性溶液中进行，与HER过程相似：OH-+*→OHads+e-；(1-12)OHads+OH-→H2O+Oads+e-；(1-13)其中*表示催化剂表面的氢氧根离子吸附位点，并且存在两种产生氧气的反应途径[22]：一步直接反应：Oads+Oads→O2；(1-14)两个中间产物Oads直接结合生成氧气。两步间接反应：Oads+OH-→OOHads+e-；(1-15)OOHads+OH-→O2+H2O+e-；(1-16)Oads首先与OH-反应生成OOHads，再与OH-偶联生成氧气。一步反应通常比二步反
青岛科技大学研究生学位论文351.76V)[117]、NiC/NiMo/NiMoOx(1.57V)[122]、FeCoNi@G(1.687V)[121]、NiCo2S4/NF纳米线阵列(1.63V)[143]、Ni2P/NF(1.49V)[145]、Ni(PO3)2-MnPO4(1.41V)[119]。并且，其催化性能与报道的最优的(Co，Fe，Ni)9S8-MoS2(1.429V)催化剂[118]相差无几，有希望在整体水分解上大规模应用。为了验证MoS2@Ni(OH)2/NF材料作为双电极体系的耐久性，对电极进行了长时间的I-T测试。如图3-4d所示，在1.46V的外加电压下，其电流密度稳定在10mAcm-2，在长达50小时的运行后，曲线保持平滑状态，电流密度几乎没有任何衰减，表现出极佳的稳定性。值得注意的是，目前的MoS2@Ni(OH)2/NF的耐久性(50h)比Ni2P-CoP/N-rGO(10h)[112]、FeCoNi@G(10h)[121]、MoS2/Ni3S2@NF(10h)[141]、Ni(PO3)2-MnPO4(50h)[119]、MoS2-Ni3S2/NF(48h)[140]和Cu@CoFeLDH(48h)[144]均要优秀。为了进一步评估催化剂的稳定性，经过长达50个小时的稳定性测试后，重新用SEM(图3-5a)、EDX(图3-5b)光谱以及XRD(图3-5c)表征了MoS2@Ni(OH)2/NF的微观形貌和电子结构变化。从上述特征可以看到，经过50小时以上的耐久性试验，MoS2@Ni(OH)2/NF催化剂可以很好地保持其形貌、组分和晶体结构，表现出良好的稳定性。图3-5.经稳定性测试后的MoS2@Ni(OH)2的(a)SEM图像；(b)EDX光谱和(c)XRD图谱；插图为放大后的SEM图像Fig.3-5.(a)SEMimage,(b)EDXspectrumand(c)XRDpatternofMoS2@Ni(OH)2cathodeafterstabilitytest.TheinsetshowsthemagnifiedSEMimage.
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光直写制备三维自支撑NiS2/MoS2复合电催化剂应用于碱性和中性电解水制氢（英文）[J]. 程鹏飞,冯婷,刘紫薇,吴德垚,杨静. 催化学报. 2019(08)
[2]水热法-高温煅烧处理制备NixCo1-xMoO4纳米片阵列/泡沫Ni复合材料及其赝电容性能研究[J]. 余大江,郭绍义,袁永锋,张志强. 浙江理工大学学报(自然科学版). 2016(06)
[3]硫碘热化学循环水分解制氢流程优化与模拟[J]. 陈云,王书婕,王智化,林祥东,张彦威,周俊虎,岑可法. 能源工程. 2013(06)
本文编号：3466416
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