过渡金属纳米材料在电催化中的应用探索
发布时间：2021-11-13 19:02
燃料电池、金属空气电池、电解水装置都是以电化学催化为基础的新型能源技术。在这些技术当中,会涉及到氧还原（ORR）、氢气氧化（HOR）、析氢（HER）和析氧（OER）等半反应。由于这些反应动力学迟缓、有较高的过电势,所以我们需要找到合适的催化剂来加快其反应进程。目前比较好的催化剂主要是贵金属Pt、Pd、Ir、Ru等材料,但是他们价格昂贵、资源稀缺,限制了新型技术的进一步发展,所以寻找高效廉价的非贵金属催化剂尤为重要。为此,我们瞄准过渡金属Co和Ni,对它们的可控合成和电催化测试应用做了一些研究工作。具体工作如下:一、层状双金属氢氧化物（LDH）是一类具有巨大催化潜力的材料。本章节中,我们通过氧化、插层、剥离等方法制备出单层的带正电的CoNi-LDH纳米片,然后将其和带有负电的氧化石墨烯复合,制备出CoNi-rGO纳米材料。该材料在1 M KOH中显示出十分优异的ORR和OER催化性能。其氧还原半波电位在0.85 V（相对于RHE）;OER电流密度为10 mA/cm2时,其相应的电压只有1.56 V,该性能可以和贵金属Ir/C的催化效果相媲美;在6 M KOH电解液中进行电流密度为10 m...
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２常规碳纳米材料结构
第一章?过渡金属纳米村料在电催化中的应用探索??性不同，会使得其周围的碳带部分正电，有利于对氧的吸附，从而更好的实现氧??气的催化。Ｙｕ等４６研宂结果表明氮掺杂的碳纳米管ＮＣＮＴｓ具有较好的催化活性??和稳定性，而没有掺杂的ＣＮＴｓ几乎无催化活性，说明氮的引入对氧还原的催化??活性有显著的影响。如图１．３所示：??ａ?、董咖■（备你?ＮＣ?ＮＴ＊?、４卜??ａ?／＝〇，＇；〇??ｃ：ｗｉｉ?％％＼?（?＾?ｎ??ｈ?＾?４－?ＣＮＵ?Ｃ?２０?ｓｓａｆｔｍｇ?Ｉ??？°：．?ＮＣＭＴｆ?一－?｜??，?一－２〇?／?ｆ??Ｉ＇０８：?／?１．４０／??＾－１．６：?－－６０?ｊ?＂??一?２＇〇ｌ．，．?－８〇?ｒ??－２?４???????＾???■??－１００?Ｌ－——￣一￣—￣￣■￣—－Ｊ??－０?２?０?０?０?２?０?４?０?６?－０?２?０．０?０．２?０．４?０?６?０．８??Ｅ?（Ｖ）?ｖｓ?Ａｇ／ＡｇＣｉ?Ｅ?（Ｖ）?ｖｓ?Ａｇ／ＡｇＣＩ??图１．３（ａ）非金属碳纳米管催化剂制备流程；（ｂ．ｃ）ＣＮＴ和ＮＣＮＴｓ在酸性条件下??的活性和稳定性４７。??Ｙａｎｇ等４８制备了硼元素掺杂的ＣＮＴ，改善了碳本身电子结构，有利于对氧??的吸附和催化，表现出很好的催化活性以及抗ＣＯ毒性和抗甲醇渗透的能力。同??时对于二元或者多个元素的掺杂人们也做了很多的工作。Ｑｉａｏ等４９合成出氮、磷??共掺杂的石墨烯材料，通过两种杂原子来调控石墨烯的电子结构和电荷密度，也??表现出良好的催化活性。Ｙｕ等５（１制备出氮磷共掺杂的碳纳米管材料，测试结果显??示出更高的电流密
过渡金属纳米村料在电催化中的应用探索?第一章??１．３．１氧析出反应机理??〇?４－Ｈ＇?ｗ?．．?＋Ｈ，０，??＂Ｉ??＼／〇＾?＊〇ｈＹ＼??＾＞Ｈ２０ｉ：?ｓ?＼??ｆ＋０Ｈ?Ｖ??Ｍ－ＯＯＨ?Ｍ＇０Ｈ??＼ｅ??．ｈａＴ?ｍ－ｏ?＾?Ｈ．??图１．４在酸性（蓝线）和碱性（红线）条件下的氧析出反应机理５３。??析氧反应简单来说就是产生氧气的过程，在不同的电解液中，其反应历程也??不相同，人们对此提出了两种反应机理，其中大都支持在反应过程中会形成中间??体Ｍ０丨丨、Ｍ０。在催化的具体过程中，主要有两种不同的反应途径：一种是绿色??路线所示，如图１．４所示，由两个Ｍ０结合产生氧；还有一种途径是形成ＭＯＯＨ，??黑色的路线所示，该中间体随后分解成氧气。一般对于ＯＥＲ反应，中间体之间的??相互作用对整个电催化过程十分重要。??在酸性体系下的催化反应机理：??Ｍ?＋?Ｈ２〇（Ｄ＾?Ｍ〇Ｈ?＋?Ｈ＋?＋?ｅ－?（１）??ＭＯＨ?—?ＭＯ?＋?Ｈ＋＋?ｅ－?（２）??２?ＭＯ?２?Ｍ?＋?〇２（ｇ）?（３）??Ｍ（）?＋?ＩｂＯｉｉ）?—?ＭＯＯＨ?＋?Ｈ＋＋?ｅ—?（４）??ＭＯＯＩＩ—＞?Ｍ?＋?〇２（ｇ）?＋?Ｈ＋＋ｅ－?（５）??在碱性体系下的催化反应机理：??Ｍ?＋?ＯＨ－—ＭＯＨ?＋?ｅ－?（６）??ＭＯＩＩ?＋?ＯＨ＇?ＭＯ?＋?Ｈ２０，ｉ）?＋?ｅ＇?（７）??７??
本文编号：3493546
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２常规碳纳米材料结构
第一章?过渡金属纳米村料在电催化中的应用探索??性不同，会使得其周围的碳带部分正电，有利于对氧的吸附，从而更好的实现氧??气的催化。Ｙｕ等４６研宂结果表明氮掺杂的碳纳米管ＮＣＮＴｓ具有较好的催化活性??和稳定性，而没有掺杂的ＣＮＴｓ几乎无催化活性，说明氮的引入对氧还原的催化??活性有显著的影响。如图１．３所示：??ａ?、董咖■（备你?ＮＣ?ＮＴ＊?、４卜??ａ?／＝〇，＇；〇??ｃ：ｗｉｉ?％％＼?（?＾?ｎ??ｈ?＾?４－?ＣＮＵ?Ｃ?２０?ｓｓａｆｔｍｇ?Ｉ??？°：．?ＮＣＭＴｆ?一－?｜??，?一－２〇?／?ｆ??Ｉ＇０８：?／?１．４０／??＾－１．６：?－－６０?ｊ?＂??一?２＇〇ｌ．，．?－８〇?ｒ??－２?４???????＾???■??－１００?Ｌ－——￣一￣—￣￣■￣—－Ｊ??－０?２?０?０?０?２?０?４?０?６?－０?２?０．０?０．２?０．４?０?６?０．８??Ｅ?（Ｖ）?ｖｓ?Ａｇ／ＡｇＣｉ?Ｅ?（Ｖ）?ｖｓ?Ａｇ／ＡｇＣＩ??图１．３（ａ）非金属碳纳米管催化剂制备流程；（ｂ．ｃ）ＣＮＴ和ＮＣＮＴｓ在酸性条件下??的活性和稳定性４７。??Ｙａｎｇ等４８制备了硼元素掺杂的ＣＮＴ，改善了碳本身电子结构，有利于对氧??的吸附和催化，表现出很好的催化活性以及抗ＣＯ毒性和抗甲醇渗透的能力。同??时对于二元或者多个元素的掺杂人们也做了很多的工作。Ｑｉａｏ等４９合成出氮、磷??共掺杂的石墨烯材料，通过两种杂原子来调控石墨烯的电子结构和电荷密度，也??表现出良好的催化活性。Ｙｕ等５（１制备出氮磷共掺杂的碳纳米管材料，测试结果显??示出更高的电流密
过渡金属纳米村料在电催化中的应用探索?第一章??１．３．１氧析出反应机理??〇?４－Ｈ＇?ｗ?．．?＋Ｈ，０，??＂Ｉ??＼／〇＾?＊〇ｈＹ＼??＾＞Ｈ２０ｉ：?ｓ?＼??ｆ＋０Ｈ?Ｖ??Ｍ－ＯＯＨ?Ｍ＇０Ｈ??＼ｅ??．ｈａＴ?ｍ－ｏ?＾?Ｈ．??图１．４在酸性（蓝线）和碱性（红线）条件下的氧析出反应机理５３。??析氧反应简单来说就是产生氧气的过程，在不同的电解液中，其反应历程也??不相同，人们对此提出了两种反应机理，其中大都支持在反应过程中会形成中间??体Ｍ０丨丨、Ｍ０。在催化的具体过程中，主要有两种不同的反应途径：一种是绿色??路线所示，如图１．４所示，由两个Ｍ０结合产生氧；还有一种途径是形成ＭＯＯＨ，??黑色的路线所示，该中间体随后分解成氧气。一般对于ＯＥＲ反应，中间体之间的??相互作用对整个电催化过程十分重要。??在酸性体系下的催化反应机理：??Ｍ?＋?Ｈ２〇（Ｄ＾?Ｍ〇Ｈ?＋?Ｈ＋?＋?ｅ－?（１）??ＭＯＨ?—?ＭＯ?＋?Ｈ＋＋?ｅ－?（２）??２?ＭＯ?２?Ｍ?＋?〇２（ｇ）?（３）??Ｍ（）?＋?ＩｂＯｉｉ）?—?ＭＯＯＨ?＋?Ｈ＋＋?ｅ—?（４）??ＭＯＯＩＩ—＞?Ｍ?＋?〇２（ｇ）?＋?Ｈ＋＋ｅ－?（５）??在碱性体系下的催化反应机理：??Ｍ?＋?ＯＨ－—ＭＯＨ?＋?ｅ－?（６）??ＭＯＩＩ?＋?ＯＨ＇?ＭＯ?＋?Ｈ２０，ｉ）?＋?ｅ＇?（７）??７??
本文编号：3493546
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3493546.html
