Pd基催化剂的制备及其析氢性能的研究
发布时间：2022-01-27 07:35
氢气是非常具有发展前景的清洁可再生能源。水的电解是一种高效且持续的制氢方法。析氢反应（HER）是电解水制氢的关键步骤。为了减少HER所需的能耗并提高能量的利用率,电催化剂的运用至关重要。在众多催化剂中,Pt基催化剂由于出色的催化活性被广泛使用,但贵金属Pt存在成本较高,储量有限等缺点,限制了其在生产中的大规模应用。贵金属Pd的价格低廉、储量丰富,并且与Pt处于同一族,具有相同的原子尺寸和面心立方晶体结构,可以作为Pt的理想替代金属。本文在Nafion的介导作用下,合成了Pd NN纳米网络状催化剂和Pd NPs纳米颗粒状催化剂,并系统的研究了其HER催化活性。1. 运用一步还原法合成了Pd纳米网络（Pd NN）催化剂。通过调节Pd前体的浓度来调整Pd NN催化剂的形貌和大小。通过TEM测试发现Pd NN-4.5催化剂由半径为4.87 nm的纳米颗粒形成了分散良好的纳米网络状结构。通过电化学测试发现所制备的Pd NN催化剂的HER性能优于商业Pd/C。其中,Pd NN-4.5催化剂表现出最出色的HER性能,在10 m A cm-2的电流密度下的过电势为59m V,Ta...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解水装置示意图[14]
天津工业大学硕士学位论文8场使得电解质溶液中的正负离子发上迁移并且在电极上发生氧化还原反应形成镀层的方法。Chao和他的同事利用简单的电化学沉积法在泡沫镍（NF）上制备了NiMo合金微观纳米管（(NiMoMT/NF）催化剂，具体过程如图1-2所示，首先在NF上沉积ZnO纳米棒，然后通过计时电位法将NiNPs附着在ZnO纳米棒的表面上。随后，在ZnO的表面上对NiMo合金NPs进行电沉积后，得到ZnO@NiMo核/壳结构（NiMo/ZnO/NF）。最后，用NaOH腐蚀ZnO模板，以在NF（NiMoMT/NF）上获得NiMo六角形管，这种具有特殊管状结构的催化剂暴露出了更多的活性位点，降低了边界的电阻，因此具有优异的HER活性[46]。图1-2电化学沉积过程及最终形貌图[46]Fig.1-2Electrochemicaldepositionprocessandfinalmorphology1.4.3化学气相沉积法化学气相沉积法（CVD）常被用于制备高度分散的金属催化剂，它是通过利用运载气体将贵金属前体运送到在载体表面，并且发生反应产生固态沉积物来实现催化剂的合成[47]。S.Khler等人利用化学气相沉积法将Pt前驱体分别负载在SiO2、Al2O3和TiO2上，最终贵金属Pt的分散度为0.4-0.7，实现高度分散，表现出较好的催化活性[48]。1.4.4物理气相沉积法
天津工业大学硕士学位论文18势（101mV）。这种明显增强的HER催化性能源于互相连接的三维纳米网络结构，由于高纵横比和折射率表面等原因而产生了更多的活性位点[34]。尽管上述PdNCNs和PdNDs催化剂的催化性能得到了显着改善，但其过电位仍然明显高于Pt基催化剂。因此，需要进一步提高和改进Pd基催化剂的HER性能。结构导向剂的使用可以更有效的改变催化剂的形貌和尺寸。其中，由于Nafion具有较为特殊的磺酸基，既可以作为导向剂，又可以作为酸性促进剂，受到了广泛的关注[103]。Nafion的化学结构如图3-1，它的氟碳主链具有很强的吸电子能力，从而导致Nafion中的磺酸根（-SO3-）酸性位点很强，成为一种配位阴离子。但是-SO3-的配位能力非常弱，介于PF6-或BF4-和ClO4-之间。以水为溶剂的Nafion与Pd（II）具有很强的配合作用，这是因为Nafion离子簇内的高极性环境，并且-SO3H阴离子的配位性较弱，同时水为质子溶剂，可以促使阴离子阳离子分离[104]。此外，Nafion还可以为所固定催化剂提供一定程度的保护，防止其失活或分解[104,105]。图3-1Nafion的化学结构Fig.3-1ChemicalstructureofNafion在这里，我们报告一种简便有效的方法，以Nafion介导的方式合成三维Pd纳米网络（PdNN）催化剂。所制备的PdNN催化剂显示出比商业Pd/C更好的HER活性。另外，在这些PdNN催化剂中，PdNN-4.5催化剂表现出最优异的电催化性能。这项工作提供了一种新颖的方法来设计和合成用于氢气析出反应的低成本，高效的Pd纳米催化剂。3.2实验部分本实验采用溶液还原的方法。首先称取50.5mgPdCl2固体溶解于加有3滴稀盐酸的蒸馏水中，定容至10mL，获得浓度为5.05mg/mL的PdCl2溶液。然后对上述溶液进行稀释，分别得到浓度为1、1.5、2.5mg/mL的PdCl2溶液。用移
本文编号：3612056
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解水装置示意图[14]
天津工业大学硕士学位论文8场使得电解质溶液中的正负离子发上迁移并且在电极上发生氧化还原反应形成镀层的方法。Chao和他的同事利用简单的电化学沉积法在泡沫镍（NF）上制备了NiMo合金微观纳米管（(NiMoMT/NF）催化剂，具体过程如图1-2所示，首先在NF上沉积ZnO纳米棒，然后通过计时电位法将NiNPs附着在ZnO纳米棒的表面上。随后，在ZnO的表面上对NiMo合金NPs进行电沉积后，得到ZnO@NiMo核/壳结构（NiMo/ZnO/NF）。最后，用NaOH腐蚀ZnO模板，以在NF（NiMoMT/NF）上获得NiMo六角形管，这种具有特殊管状结构的催化剂暴露出了更多的活性位点，降低了边界的电阻，因此具有优异的HER活性[46]。图1-2电化学沉积过程及最终形貌图[46]Fig.1-2Electrochemicaldepositionprocessandfinalmorphology1.4.3化学气相沉积法化学气相沉积法（CVD）常被用于制备高度分散的金属催化剂，它是通过利用运载气体将贵金属前体运送到在载体表面，并且发生反应产生固态沉积物来实现催化剂的合成[47]。S.Khler等人利用化学气相沉积法将Pt前驱体分别负载在SiO2、Al2O3和TiO2上，最终贵金属Pt的分散度为0.4-0.7，实现高度分散，表现出较好的催化活性[48]。1.4.4物理气相沉积法
天津工业大学硕士学位论文18势（101mV）。这种明显增强的HER催化性能源于互相连接的三维纳米网络结构，由于高纵横比和折射率表面等原因而产生了更多的活性位点[34]。尽管上述PdNCNs和PdNDs催化剂的催化性能得到了显着改善，但其过电位仍然明显高于Pt基催化剂。因此，需要进一步提高和改进Pd基催化剂的HER性能。结构导向剂的使用可以更有效的改变催化剂的形貌和尺寸。其中，由于Nafion具有较为特殊的磺酸基，既可以作为导向剂，又可以作为酸性促进剂，受到了广泛的关注[103]。Nafion的化学结构如图3-1，它的氟碳主链具有很强的吸电子能力，从而导致Nafion中的磺酸根（-SO3-）酸性位点很强，成为一种配位阴离子。但是-SO3-的配位能力非常弱，介于PF6-或BF4-和ClO4-之间。以水为溶剂的Nafion与Pd（II）具有很强的配合作用，这是因为Nafion离子簇内的高极性环境，并且-SO3H阴离子的配位性较弱，同时水为质子溶剂，可以促使阴离子阳离子分离[104]。此外，Nafion还可以为所固定催化剂提供一定程度的保护，防止其失活或分解[104,105]。图3-1Nafion的化学结构Fig.3-1ChemicalstructureofNafion在这里，我们报告一种简便有效的方法，以Nafion介导的方式合成三维Pd纳米网络（PdNN）催化剂。所制备的PdNN催化剂显示出比商业Pd/C更好的HER活性。另外，在这些PdNN催化剂中，PdNN-4.5催化剂表现出最优异的电催化性能。这项工作提供了一种新颖的方法来设计和合成用于氢气析出反应的低成本，高效的Pd纳米催化剂。3.2实验部分本实验采用溶液还原的方法。首先称取50.5mgPdCl2固体溶解于加有3滴稀盐酸的蒸馏水中，定容至10mL，获得浓度为5.05mg/mL的PdCl2溶液。然后对上述溶液进行稀释，分别得到浓度为1、1.5、2.5mg/mL的PdCl2溶液。用移
本文编号：3612056
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3612056.html
教材专著
