海胆状Mo 2 S 3 电催化剂的制备及其电催化析氢性能研究
发布时间：2022-02-10 13:39
随着社会的快速发展,人口的急剧增加,人类对于能源的需求量越来越大。随之也产生了一系列能源问题和环境问题:一方面,传统的化石能源的储量有限,如果不限制开采,很快就会枯竭;另一方面,随着化石能源的大量使用,大量污染物对环境造成的负担也越来越重。因此,研究和开发清洁可再生的新能源,是解决解决能源和环境问题的根本所在。氢气作为一种高能量密度,清洁可持续的能源越来越受到人们重视。在众多解决方案中,电解水制氢被认为是最具潜力的候选方案之一。而电解水制氢技术的关键是寻找一种制备简单,成本低廉,析氢性能优异的电催化剂。Mo2S3作为一种过渡金属硫化物目前研究得还比较少,具有重要的研究意义以及广泛的应用前景。本文通过熔盐法对高温固相法进行改进,成功制备了具有海胆状形貌的高纯度Mo2S3电催化析氢催化剂,并且通过改性进一步挺高其析氢性能。主要内容如下:（1）以钼单质、硫单质和氯化钠为原料,通过熔盐法在较低的温度条件下快速制备高纯度海胆状Mo2S3电催化材料,通过XRD、SEM...
【文章来源】：南京理工大学江苏省211工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水电解槽示意图
1绪论硕士学位论文4此时的吸附和脱附过程都相对容易发生[16]。综上所诉，寻找一种氢吸附自由能接近零的催化剂并且通过改性提高电催化析氢性能是目前研究的重点。利用密度泛函理论(DFT)计算，Norshov等人计算了各种过渡金属催化剂材料的氢吸附自由能(ΔGH)，并将实验测得的不同材料的析氢反应交换电流密度(j0)与各自对应的氢吸附自由能作图[17-19]，这就是人们所熟知的“火山图”，如图1-2所示。如果一种材料在火山曲线的左侧，则代表氢原子与该催化材料的结合能太强，反应产生的氢气分子难以从材料的表面脱附；相反，如果一种材料的在火山曲线的右侧，则代表氢原子与该催化剂表面的结合能太弱，氢离子难以吸附在该催化剂表面发生反应；只有当催化剂材料的位置处于“火山口”附近时，即该催化剂材料的ΔGH接近于零时，析氢反应才能获得较大的交换电流密度，其电催化析氢性能也就表现得最好。因此，人们通常通过计算电催化材料的氢吸附自由能(ΔGH)来预测该催化剂的电催化析氢性能的优劣[20-22]。图1-2不同材料的交换电流密度j0与氢吸附自由能的变化ΔGH的关系。Fig.1-2Exchangecurrentdensityj0asfunctionoffreeenergyofhydrogenadsorptionΔGHfordifferentmaterials.1.3.1贵金属催化剂根据氢吸附自由能“火山图”可以发现，贵金属类催化剂的位置非常接近“火山顶”，它们的氢吸附自由能非常接近于零，理论上如果用它们作为电催化析氢催化剂其性能将会非常好[23]。并且，通过大量实验同样也验证了贵金属类电催化材料尤其是Pt系贵金属材料优异的电催化析氢性能[24-27]。虽然，Pt系贵金属材料是目前最高效的电催化析氢反应催化剂，能够使电催化析氢反应的过电位降到很接近零的位置，大大节约了生产中的电能损耗。但是，由于Pt等贵金属元素在地球上?
硕士学位论文海胆状Mo2S3电催化剂的制备及其电催化析氢性能研究5这极大地提高了电解水产氢的设备成本，不利于大规模工业化生产。因此，研究开发一种廉价的、地球储量丰富的并且具有良好电催化析氢活性的材料对未来氢能源产业的发展极其重要。1.3.2二硫化钼催化剂二硫化钼（MoS2）作为一种典型的过渡金属硫化物，具有和石墨类似的层状结构，片层内部钼硫原子以共价键结合，层与层之间以范德华力结合[28,29]，一直以来作为一种润滑剂在工业领域发挥着重要作用[30-32]。在自然界中，二硫化钼主要以辉钼矿的形式存在，且储量丰富。MoS2晶体存在多种结构：2H-MoS2，3R-MoS2，1T-MoS2，1T’-MoS2，他们的物理和化学性质各不相同[33-35]，非常有发展前景。图1-3(a)2H-MoS2的晶体结构图，(b)2H-MoS2的Mo边缘的氢吸附自由能，(c)2H-MoS2的能带结构图，(d)2H-MoS2的层间电子传递示意图。Fig.1-3(a)Crystalstructureof2H-MoS2,(b)FreeEnergyofHydrogenAdsorptiononMo-edge,(c)Bandstructureof2H-MoS2,(d)SchematicDiagramofInterlayerElectronTransferin2H-MoS2.早在1976年，块体2H-MoS2就被用作电催化剂用于电催化析氢反应，但事实上其电催化析氢性能并不理想[36]。直到2005年，人们发现了植物固氮酶优异的析氢活性，而且其析氢活性位点的结构与2H-MoS2的Mo边缘的结构非常相似，具有非常接近于零的氢吸附自由能[37]。并通过实验和计算发现，2H-MoS2只有Mo边缘具有有较强电催化
【参考文献】：
期刊论文
[1]球磨法制备富含缺陷的高性能二硫化钼析氢反应电催化剂（英文）[J]. 张丽芳,柯小行,欧刚,魏呵呵,王鲁宁,伍晖. Science China Materials. 2017(09)
[2]基于类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂的研究进展[J]. 凌崇益,王金兰. 物理化学学报. 2017(05)
[3]熔盐法合成非氧化物陶瓷粉体[J]. 黄仲,焦成鹏,张少伟,张海军,李发亮,鲁礼林. 耐火材料. 2015(03)
[4]乙二胺改性石墨烯载铂催化剂的制备及其电解水制氢的研究[J]. 李雪妮,孟庆函,曹兵. 北京化工大学学报(自然科学版). 2014(02)
[5]熔盐法制备各向异性形貌晶粒的研究进展[J]. 侯俊峰,武在军,王耀挺,毕明峰. 中国陶瓷. 2012(02)
[6]熔盐法合成晶体的研究现状与进展[J]. 李月明,黄丹,廖润华,王进松. 陶瓷学报. 2008(02)
[7]熔盐法合成氧化物陶瓷粉体的研究进展[J]. 李雪冬,朱伯铨. 中国陶瓷. 2006(03)
硕士论文
[1]高性能水电解电极的制备工艺与性能研究[D]. 王亚玲.湖南大学 2008
本文编号：3618986
【文章来源】：南京理工大学江苏省211工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水电解槽示意图
1绪论硕士学位论文4此时的吸附和脱附过程都相对容易发生[16]。综上所诉，寻找一种氢吸附自由能接近零的催化剂并且通过改性提高电催化析氢性能是目前研究的重点。利用密度泛函理论(DFT)计算，Norshov等人计算了各种过渡金属催化剂材料的氢吸附自由能(ΔGH)，并将实验测得的不同材料的析氢反应交换电流密度(j0)与各自对应的氢吸附自由能作图[17-19]，这就是人们所熟知的“火山图”，如图1-2所示。如果一种材料在火山曲线的左侧，则代表氢原子与该催化材料的结合能太强，反应产生的氢气分子难以从材料的表面脱附；相反，如果一种材料的在火山曲线的右侧，则代表氢原子与该催化剂表面的结合能太弱，氢离子难以吸附在该催化剂表面发生反应；只有当催化剂材料的位置处于“火山口”附近时，即该催化剂材料的ΔGH接近于零时，析氢反应才能获得较大的交换电流密度，其电催化析氢性能也就表现得最好。因此，人们通常通过计算电催化材料的氢吸附自由能(ΔGH)来预测该催化剂的电催化析氢性能的优劣[20-22]。图1-2不同材料的交换电流密度j0与氢吸附自由能的变化ΔGH的关系。Fig.1-2Exchangecurrentdensityj0asfunctionoffreeenergyofhydrogenadsorptionΔGHfordifferentmaterials.1.3.1贵金属催化剂根据氢吸附自由能“火山图”可以发现，贵金属类催化剂的位置非常接近“火山顶”，它们的氢吸附自由能非常接近于零，理论上如果用它们作为电催化析氢催化剂其性能将会非常好[23]。并且，通过大量实验同样也验证了贵金属类电催化材料尤其是Pt系贵金属材料优异的电催化析氢性能[24-27]。虽然，Pt系贵金属材料是目前最高效的电催化析氢反应催化剂，能够使电催化析氢反应的过电位降到很接近零的位置，大大节约了生产中的电能损耗。但是，由于Pt等贵金属元素在地球上?
硕士学位论文海胆状Mo2S3电催化剂的制备及其电催化析氢性能研究5这极大地提高了电解水产氢的设备成本，不利于大规模工业化生产。因此，研究开发一种廉价的、地球储量丰富的并且具有良好电催化析氢活性的材料对未来氢能源产业的发展极其重要。1.3.2二硫化钼催化剂二硫化钼（MoS2）作为一种典型的过渡金属硫化物，具有和石墨类似的层状结构，片层内部钼硫原子以共价键结合，层与层之间以范德华力结合[28,29]，一直以来作为一种润滑剂在工业领域发挥着重要作用[30-32]。在自然界中，二硫化钼主要以辉钼矿的形式存在，且储量丰富。MoS2晶体存在多种结构：2H-MoS2，3R-MoS2，1T-MoS2，1T’-MoS2，他们的物理和化学性质各不相同[33-35]，非常有发展前景。图1-3(a)2H-MoS2的晶体结构图，(b)2H-MoS2的Mo边缘的氢吸附自由能，(c)2H-MoS2的能带结构图，(d)2H-MoS2的层间电子传递示意图。Fig.1-3(a)Crystalstructureof2H-MoS2,(b)FreeEnergyofHydrogenAdsorptiononMo-edge,(c)Bandstructureof2H-MoS2,(d)SchematicDiagramofInterlayerElectronTransferin2H-MoS2.早在1976年，块体2H-MoS2就被用作电催化剂用于电催化析氢反应，但事实上其电催化析氢性能并不理想[36]。直到2005年，人们发现了植物固氮酶优异的析氢活性，而且其析氢活性位点的结构与2H-MoS2的Mo边缘的结构非常相似，具有非常接近于零的氢吸附自由能[37]。并通过实验和计算发现，2H-MoS2只有Mo边缘具有有较强电催化
【参考文献】：
期刊论文
[1]球磨法制备富含缺陷的高性能二硫化钼析氢反应电催化剂（英文）[J]. 张丽芳,柯小行,欧刚,魏呵呵,王鲁宁,伍晖. Science China Materials. 2017(09)
[2]基于类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂的研究进展[J]. 凌崇益,王金兰. 物理化学学报. 2017(05)
[3]熔盐法合成非氧化物陶瓷粉体[J]. 黄仲,焦成鹏,张少伟,张海军,李发亮,鲁礼林. 耐火材料. 2015(03)
[4]乙二胺改性石墨烯载铂催化剂的制备及其电解水制氢的研究[J]. 李雪妮,孟庆函,曹兵. 北京化工大学学报(自然科学版). 2014(02)
[5]熔盐法制备各向异性形貌晶粒的研究进展[J]. 侯俊峰,武在军,王耀挺,毕明峰. 中国陶瓷. 2012(02)
[6]熔盐法合成晶体的研究现状与进展[J]. 李月明,黄丹,廖润华,王进松. 陶瓷学报. 2008(02)
[7]熔盐法合成氧化物陶瓷粉体的研究进展[J]. 李雪冬,朱伯铨. 中国陶瓷. 2006(03)
硕士论文
[1]高性能水电解电极的制备工艺与性能研究[D]. 王亚玲.湖南大学 2008
本文编号：3618986
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3618986.html
教材专著
