纳米结构碳/碳化钼复合材料的制备及其电催化析氢性能研究
发布时间：2021-11-12 00:49
电解水是制备氢气最有效的方法之一。探寻高效、廉价电催化剂来降低电解水析氢能耗、提升析氢（HER）效率引起科研工作者极大的兴趣。由于与Pt具有相似的d能带电子密度状态,碳化钼基电催化剂已被证实具有较好电催化析氢活性,但仍存催化剂在制备过程中容易团聚而导致催化活性降低、Mo-H键结合能大而导致氢气不易析出等问题。针对这些问题,本文设计纳米结构氮掺杂碳碳化钼纳米粒子,抑制粒子团聚、增大电解液与材料接触面、暴露更多活性位点、优化碳化钼电子结构,以期提升其电催化析氢性能,详细探究材料结构与性能关系,具体内容如下:（1）以聚丙烯腈为碳源、乙酰丙酮钼为钼源,用静电纺丝及退火方法来制备氮掺杂碳纳米纤维负载碳化钼纳米颗粒的复合材料（Mo2C/NCNFs）。研究静电纺丝参数及退火温度、原料投料比对复合材料结构和形貌的影响,并进一步探讨复合材料结构变化和氮掺杂对复合材料电催化析氢性能的影响,最终揭示影响电催化活性的关键因素。电化学测试结果表明该材料具有良好的电催化析氢性能。更重要是Mo2C/NCNFs自支撑膜直接作为电催化剂,同样具有优异的HER性能。（2）采用喷...
【文章来源】：温州大学浙江省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
在酸性电解质中催化剂表面上析氢的两种机制：a）Volmer-Tafel机理;b）
温州大学硕士学位论文面积和良好导电性的纳米碳来分散碳化钼，以防止纳米颗粒的过度生长[54]。与此同时，载体材料中的羧基或羟基官能团有助于与 Mo 源反应时的尺寸控制[55]。一个典型的例子是加入碳黑（CB），其比不加入载体的 Mo2C 电催化剂 HER 活性高了很多[56]。碳纳米管（CNT）和碳凝胶（CXG）也作为 Mo2C 的载体被报道[57]，与 CB 相比，一维碳纳米管支撑的 Mo2C 表现出更好的电化学性能 （图 1-2a-c），这归因于动力学，一维碳纳米管可以使得电荷和电子的转移更有效，其特征在于 Mo2C/CNT 较低的电荷转移阻力为 21 Ω cm2（与 Mo2C/CB 的 36.1 Ωcm2相比）[58]。Mo2C/CNTs 催化剂在测量的大部分电位范围内表现出比Mo2C/CXG 低的活性。这可能是由于 Mo2C/CXG 的比表面积（410 m2g-1）大于Mo2C/CNTs 的（182 m2g-1）[57,59]。
对于非金属 N 原子的掺杂已有很多文献报道。一种含有超小碳化钼（Mo2米颗粒嵌入含氮碳（NC）纳米层的 HER 电催化剂被 Liu 等人[75]设计出，该电流密度为 1 mA cm-2时，氮掺杂的碳和纯的碳化钼的过电位分别为 360 m 300 mV，而氮掺杂碳与碳化钼的复合材料的（Mo2C @ NC）过电位为 60 m时Tafel斜率也仅有60 mV dec-1，具有较好的HER活性。并通过比较Mo2C@ Mo2C@C 之间电荷密度（D1）的差异，进一步探索了 Mo2C@NC 中 Mo2C颗粒和 N 掺杂剂之间的协同效应（如图 1-4 所示）。在相应的 D1 图中观察有碳原子上的蓝色，确定了从 Mo2C 到 Mo2C@C 中的碳层的电子转移过程显的。除了这个电子转移过程外，在 Mo2C@NC 中同时看到了从相邻的 C（用黄色表示）到 N 原子的电子转移。这些结果揭示了材料中 N 掺杂剂的电子特征。这反过来可以在 Mo2C@NC 中诱导一个复杂的电子转移过Mo2C→C→N），使得相邻的 C 原子既作为电子受体又作为电子给体发挥双用。这一结果证明了 Mo2C 和 N 掺杂剂之间协同作用的存在，为碳层中与子相邻的C原子提供了前所未有的催化活性，并使Mo2C@NC成为高效的H化剂。
【参考文献】：
期刊论文
[1]单原子催化——概念、方法与应用[J]. 靳永勇,郝盼盼,任军,李忠. 化学进展. 2015(12)
本文编号：3489870
【文章来源】：温州大学浙江省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
在酸性电解质中催化剂表面上析氢的两种机制：a）Volmer-Tafel机理;b）
温州大学硕士学位论文面积和良好导电性的纳米碳来分散碳化钼，以防止纳米颗粒的过度生长[54]。与此同时，载体材料中的羧基或羟基官能团有助于与 Mo 源反应时的尺寸控制[55]。一个典型的例子是加入碳黑（CB），其比不加入载体的 Mo2C 电催化剂 HER 活性高了很多[56]。碳纳米管（CNT）和碳凝胶（CXG）也作为 Mo2C 的载体被报道[57]，与 CB 相比，一维碳纳米管支撑的 Mo2C 表现出更好的电化学性能 （图 1-2a-c），这归因于动力学，一维碳纳米管可以使得电荷和电子的转移更有效，其特征在于 Mo2C/CNT 较低的电荷转移阻力为 21 Ω cm2（与 Mo2C/CB 的 36.1 Ωcm2相比）[58]。Mo2C/CNTs 催化剂在测量的大部分电位范围内表现出比Mo2C/CXG 低的活性。这可能是由于 Mo2C/CXG 的比表面积（410 m2g-1）大于Mo2C/CNTs 的（182 m2g-1）[57,59]。
对于非金属 N 原子的掺杂已有很多文献报道。一种含有超小碳化钼（Mo2米颗粒嵌入含氮碳（NC）纳米层的 HER 电催化剂被 Liu 等人[75]设计出，该电流密度为 1 mA cm-2时，氮掺杂的碳和纯的碳化钼的过电位分别为 360 m 300 mV，而氮掺杂碳与碳化钼的复合材料的（Mo2C @ NC）过电位为 60 m时Tafel斜率也仅有60 mV dec-1，具有较好的HER活性。并通过比较Mo2C@ Mo2C@C 之间电荷密度（D1）的差异，进一步探索了 Mo2C@NC 中 Mo2C颗粒和 N 掺杂剂之间的协同效应（如图 1-4 所示）。在相应的 D1 图中观察有碳原子上的蓝色，确定了从 Mo2C 到 Mo2C@C 中的碳层的电子转移过程显的。除了这个电子转移过程外，在 Mo2C@NC 中同时看到了从相邻的 C（用黄色表示）到 N 原子的电子转移。这些结果揭示了材料中 N 掺杂剂的电子特征。这反过来可以在 Mo2C@NC 中诱导一个复杂的电子转移过Mo2C→C→N），使得相邻的 C 原子既作为电子受体又作为电子给体发挥双用。这一结果证明了 Mo2C 和 N 掺杂剂之间协同作用的存在，为碳层中与子相邻的C原子提供了前所未有的催化活性，并使Mo2C@NC成为高效的H化剂。
【参考文献】：
期刊论文
[1]单原子催化——概念、方法与应用[J]. 靳永勇,郝盼盼,任军,李忠. 化学进展. 2015(12)
本文编号：3489870
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