用于尿素氧化的含镍电催化剂：合成，结构和催化机理
发布时间：2021-12-10 16:16
开发清洁可再生的新能源有助于解决化石燃料的使用带来的能源危机、环境污染等一系列问题。在所有清洁可再生的新能源中,电催化全解水产氢具有成本低、易操作等优点。电催化全解水由阳极氧气析出反应（oxygen evolution reaction,OER）和阴极氢气析出反应（hydrogen evolution reaction,HER）两个半反应构成,其中OER因为具有较高的理论反应电位从而极大影响了电催化产氢的大规模应用。尿素氧化反应（urea oxidation reaction,UOR）具有较低的理论电位有望成为阳极OER的替代反应,并且UOR可以净化工业、农业和生活废水,从而达到生产清洁能源和解决环境问题双重目的。然而,UOR电催化剂存在活性较低、反应机理不明确等问题限制着UOR发展。因此,本论文深入研究了UOR电催化剂的结构、催化活性和机理,在此基础上进一步开发出UOR和HER双功、高活性电催化剂,进而面向工业化要求完成了电催化剂的改性。具体内容为:（1）通过水热-热还原两步反应,在泡沫镍上合成了MoNi4合金颗粒负载到富氧缺陷MoO2纳米...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
尿素制氢直接过程的示意图
第1章绪论3图1.2三电极体系电催化水裂解反应装置示意图1.2.2电化学尿素氧化反应机理在不同的氧化环境下，电催化UOR的机理不尽相同。电催化UOR通常在碱性条件下发生，产生CO2、N2和H2。但在中性NaCl介质中进行氧化的产物不仅包含了碱性条件的产物还包含了被氧化的Cl-而产生的Cl2。因此，不同环境的尿素氧化机理是不同的，在应用到工业生产中，这种机理可能会更加复杂。1.2.2.1UOR在中性NaCl介质中反应机理在中性的NaCl溶液中，Cl-首先被氧化失去电子生成Cl2，Cl2与水发生歧化反应生成HClO和等量的HCl，最后，氧化性较强的HClO将尿素氧化，生成N2、CO2和H+，同时自身被还原为Cl-。在整个过程中Cl-的量并没有发生明显的变化，下式展示了在中性NaCl溶液中尿素氧化的基本步骤[13]：Step1:6→32+6Step2:32+32→3+3++3Step3:(2)2+3→2+2+3++3+22总反应：(2)2+2→2+2+6++6因为在反应中会有大量的H+产生，所以反应一般需要贵金属材料作为阳极催化剂。所以在电催化UOR在中性溶液中具有以下缺点：(1)贵金属材料稀缺，
第1章绪论5虽然这些结果都证明了许多贵金属基材料在催化UOR上具有很高的活性，但首先于贵金属储量与价格，以及贵金属基催化剂的使用范围等因素，贵金属基催化剂并不是UOR大规模催化的最佳候选材料[37,38]。因此，人们将研究重点转移到了储量丰富并且同样具有较高活性的过渡金属催化剂，并发现了非贵金属Ni对UOR具有其他金属难以相媲美的高活性。图1.3所用电极的扫描电子显微镜图像。(a)裸砂镍箔;(b)Pt-Ni;(c)Pt-Ir-Ni和(d)Pt-Rh电极的SEM图片。Pt-Ni电极的表面显微照片显示为平坦而破裂的表面，但Pt-Ir和Rh沉积物包含更多的表面特征[21]1.3.2镍基催化剂1.3.2.1镍单质催化剂镍单质催化剂是结构非常简单的一种催化剂，单质镍的结构和形貌对于这种材料的催化性能起到了至关重要的作用。通过产生零维、一维的金属镍来增加催化剂比表面积，扩大反应位点，从而获得更高的电化学活性面积[39,40]。Tao[41]利用KBH4作还原剂，得到了极小的Ni纳米粒子，极大的提高了材料的比表面积和电化学活性面积，功率密度达到了14.2mWcm-2。通过模板法来生产一维纳米材料是一个极具效率的方法，Cao[18]和Botte[20]与他们的同事，分别利用聚碳酸酯(PC)和阳极氧化铝(AOO)为模板制备了极细的Ni单质一维纳米线阵列，这两
本文编号：3532967
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
尿素制氢直接过程的示意图
第1章绪论3图1.2三电极体系电催化水裂解反应装置示意图1.2.2电化学尿素氧化反应机理在不同的氧化环境下，电催化UOR的机理不尽相同。电催化UOR通常在碱性条件下发生，产生CO2、N2和H2。但在中性NaCl介质中进行氧化的产物不仅包含了碱性条件的产物还包含了被氧化的Cl-而产生的Cl2。因此，不同环境的尿素氧化机理是不同的，在应用到工业生产中，这种机理可能会更加复杂。1.2.2.1UOR在中性NaCl介质中反应机理在中性的NaCl溶液中，Cl-首先被氧化失去电子生成Cl2，Cl2与水发生歧化反应生成HClO和等量的HCl，最后，氧化性较强的HClO将尿素氧化，生成N2、CO2和H+，同时自身被还原为Cl-。在整个过程中Cl-的量并没有发生明显的变化，下式展示了在中性NaCl溶液中尿素氧化的基本步骤[13]：Step1:6→32+6Step2:32+32→3+3++3Step3:(2)2+3→2+2+3++3+22总反应：(2)2+2→2+2+6++6因为在反应中会有大量的H+产生，所以反应一般需要贵金属材料作为阳极催化剂。所以在电催化UOR在中性溶液中具有以下缺点：(1)贵金属材料稀缺，
第1章绪论5虽然这些结果都证明了许多贵金属基材料在催化UOR上具有很高的活性，但首先于贵金属储量与价格，以及贵金属基催化剂的使用范围等因素，贵金属基催化剂并不是UOR大规模催化的最佳候选材料[37,38]。因此，人们将研究重点转移到了储量丰富并且同样具有较高活性的过渡金属催化剂，并发现了非贵金属Ni对UOR具有其他金属难以相媲美的高活性。图1.3所用电极的扫描电子显微镜图像。(a)裸砂镍箔;(b)Pt-Ni;(c)Pt-Ir-Ni和(d)Pt-Rh电极的SEM图片。Pt-Ni电极的表面显微照片显示为平坦而破裂的表面，但Pt-Ir和Rh沉积物包含更多的表面特征[21]1.3.2镍基催化剂1.3.2.1镍单质催化剂镍单质催化剂是结构非常简单的一种催化剂，单质镍的结构和形貌对于这种材料的催化性能起到了至关重要的作用。通过产生零维、一维的金属镍来增加催化剂比表面积，扩大反应位点，从而获得更高的电化学活性面积[39,40]。Tao[41]利用KBH4作还原剂，得到了极小的Ni纳米粒子，极大的提高了材料的比表面积和电化学活性面积，功率密度达到了14.2mWcm-2。通过模板法来生产一维纳米材料是一个极具效率的方法，Cao[18]和Botte[20]与他们的同事，分别利用聚碳酸酯(PC)和阳极氧化铝(AOO)为模板制备了极细的Ni单质一维纳米线阵列，这两
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