基于镍/钴/钼催化剂的纳米结构设计及其水分解性能的研究
发布时间：2022-02-12 11:15
寻找清洁、可持续的绿色能源对替代传统化石能源和缓解环境问题具有重要意义。氢气因其燃值高、产物无污染等优点,被认为是理想的能源。采用来源于太阳能、风能等可再生能源对水进行电解是制备高质量氢气的有效途径。然而,在电解水中的析氢反应（HER）和析氧反应（OER）存在过高的过电位,这导致大量的能量消耗。因此,电解水制氢的实际应用就需要高性能的HER和OER催化剂以提高氢气生产效率。尽管贵金属催化剂,如铂（对HER有催化活性）和钌（对OER有催化活性）显示出优异的催化活性,但成本高、储量少以及稳定性差限制了它们的广泛应用。杂原子掺杂的过渡金属杂化物在催化HER和OER表现出有希望的潜力,但其催化性能仍有待进一步提升。本论文工作以构筑杂原子（氧掺杂、硒掺杂、磷掺杂）掺杂的非贵金属催化材料为研究方向,通过对微观结构和形貌精准调控,开发低成本、高效的杂原子掺杂过渡金属电解水催化剂,具体内容包括以下三个方面。1、通过简单溶液反应使硫化铵中的硫逐步替换四水合钼酸铵中的氧,进而获得氧均匀掺杂的硫钼酸铵前驱体材料,再通过热解将其转化为氧掺杂二硫化钼（O-MoS2）催化剂。探究了不同氧掺杂...
【文章来源】：广西师范大学广西壮族自治区
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可再生能源转化图[17]
广西师范大学硕士学位论文3年，Lachinov首次发明了工业化电水解制取氢气和氧气的方法，使得电水解技术实现工业化。到了20世纪70年代以后，由于全球能源危机的爆发以及人们对新型能源的迫切需求，使得电水解制氢技术再次成为人们的焦点。图1.2电水解的发展历程水分解的总反应为：H2O→H2+1/2O2。它包括两个半反应，即发生在阴极上的析氢反应（HER）和阳极上的析氧反应（OER）[18]。根据不同的反应条件，这两个半反应可以用不同的方式表达：（a）在酸性溶液中：阴极：2H++2e→H2阳极：H2O→2H++1/2O2+2e（b）在中性溶液中：阴极：2H2O+2e→H2+2OH阴极：H2O→2H++1/2O2+2e（c）在碱性溶液中阴极：2H2O+2e→H2+2OH阴极：2OH→H2O+1/2O2+2e对于阴极的HER反应，虽然只是生成简单的氢气分子，但无论是在何种反应介质中，它都是一个多步骤的反应过程，该过程主要分为三个反应阶段：即吸附阶段（Volmer）、反应阶段和脱附阶段（Heyrovsky或Tafel）。每个过程发生的反应如表1.1所示：
广西师范大学硕士学位论文5图1.3部分HER催化剂的火山效应图对于阳极的OER反应，则面临更复杂的多电子转移过程，在碱性条件下为4OH→2H2O+O2+4e反应，在酸性或中性条件下为2H2O→4H++O2+4e反应，OER反应比较公认的机理如表1.2所示：表1.2酸性和碱性条件下OER的主要基元反应AcidAlkalineM+H2O→M-OH+H++e-M+OH-→M-OHM-OH→M-O+H++e-M-OH+OH-→M-O+H2OM-O+H2O→MOOH+H++e-MOOH→M+O2+H++e-M-OH+OH-→MOOH+e-MOOH+OH-→M+O2+H2OM代表电催化剂表面的吸附位点通过上表我们可以看出，无论在什么介质中，OER反应都涉及多种中间产物的吸附、反应和脱附过程，由于不同催化剂本身具有的电子特性不同，因此在多电子反应过程中就涉及到不同的限速步骤。另外，Tafel斜率和电子传递系数相关联，较小的Tafel斜率通常具有优异的反应动力，因此我们可以通过测试反应过程中的Tafel斜率评价OER的机理过程。同样的OER催化剂也有一个类似的“火山效应图”[20]。图1.4部分OER催化剂的火山效应图
【参考文献】：
期刊论文
[1]An efficient bifunctional electrocatalyst derived from layer-by-layer self-assembly of a three-dimensional porous Co-N-C@graphene[J]. Shichang Cai,Rui Wang,William M.Yourey,Junsheng Li,Haining Zhang,Haolin Tang. Science Bulletin. 2019(14)
[2]Co9S8 nanowires@NiCo LDH nanosheets arrays on nickel foams towards efficient overall water splitting[J]. Jingan Yan,Ligang Chen,Xin Liang. Science Bulletin. 2019(03)
[3]S,N co-doped carbon nanotube-encapsulated core-shelled CoS2@Co nanoparticles:efficient and stable bifunctional catalysts for overall water splitting[J]. Jing-Yu Wang,Ting Ouyang,Nan Li,Tianyi Ma,Zhao-Qing Liu. Science Bulletin. 2018(17)
本文编号：3621619
【文章来源】：广西师范大学广西壮族自治区
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可再生能源转化图[17]
广西师范大学硕士学位论文3年，Lachinov首次发明了工业化电水解制取氢气和氧气的方法，使得电水解技术实现工业化。到了20世纪70年代以后，由于全球能源危机的爆发以及人们对新型能源的迫切需求，使得电水解制氢技术再次成为人们的焦点。图1.2电水解的发展历程水分解的总反应为：H2O→H2+1/2O2。它包括两个半反应，即发生在阴极上的析氢反应（HER）和阳极上的析氧反应（OER）[18]。根据不同的反应条件，这两个半反应可以用不同的方式表达：（a）在酸性溶液中：阴极：2H++2e→H2阳极：H2O→2H++1/2O2+2e（b）在中性溶液中：阴极：2H2O+2e→H2+2OH阴极：H2O→2H++1/2O2+2e（c）在碱性溶液中阴极：2H2O+2e→H2+2OH阴极：2OH→H2O+1/2O2+2e对于阴极的HER反应，虽然只是生成简单的氢气分子，但无论是在何种反应介质中，它都是一个多步骤的反应过程，该过程主要分为三个反应阶段：即吸附阶段（Volmer）、反应阶段和脱附阶段（Heyrovsky或Tafel）。每个过程发生的反应如表1.1所示：
广西师范大学硕士学位论文5图1.3部分HER催化剂的火山效应图对于阳极的OER反应，则面临更复杂的多电子转移过程，在碱性条件下为4OH→2H2O+O2+4e反应，在酸性或中性条件下为2H2O→4H++O2+4e反应，OER反应比较公认的机理如表1.2所示：表1.2酸性和碱性条件下OER的主要基元反应AcidAlkalineM+H2O→M-OH+H++e-M+OH-→M-OHM-OH→M-O+H++e-M-OH+OH-→M-O+H2OM-O+H2O→MOOH+H++e-MOOH→M+O2+H++e-M-OH+OH-→MOOH+e-MOOH+OH-→M+O2+H2OM代表电催化剂表面的吸附位点通过上表我们可以看出，无论在什么介质中，OER反应都涉及多种中间产物的吸附、反应和脱附过程，由于不同催化剂本身具有的电子特性不同，因此在多电子反应过程中就涉及到不同的限速步骤。另外，Tafel斜率和电子传递系数相关联，较小的Tafel斜率通常具有优异的反应动力，因此我们可以通过测试反应过程中的Tafel斜率评价OER的机理过程。同样的OER催化剂也有一个类似的“火山效应图”[20]。图1.4部分OER催化剂的火山效应图
【参考文献】：
期刊论文
[1]An efficient bifunctional electrocatalyst derived from layer-by-layer self-assembly of a three-dimensional porous Co-N-C@graphene[J]. Shichang Cai,Rui Wang,William M.Yourey,Junsheng Li,Haining Zhang,Haolin Tang. Science Bulletin. 2019(14)
[2]Co9S8 nanowires@NiCo LDH nanosheets arrays on nickel foams towards efficient overall water splitting[J]. Jingan Yan,Ligang Chen,Xin Liang. Science Bulletin. 2019(03)
[3]S,N co-doped carbon nanotube-encapsulated core-shelled CoS2@Co nanoparticles:efficient and stable bifunctional catalysts for overall water splitting[J]. Jing-Yu Wang,Ting Ouyang,Nan Li,Tianyi Ma,Zhao-Qing Liu. Science Bulletin. 2018(17)
本文编号：3621619
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