铁基电催化剂的制备及其在水分解中的应用研究
发布时间：2024-12-21 06:42
氢气是一种高性能能量载体,被认为是化石燃料的理想替代品之一。电解水制氢是简单并且相对环保的一种制氢方法。析氢反应（HER）和析氧反应（OER）是电催化分解水的两个半反应。这两个半反应的动力学缓慢,导致电解水的效率不高,需要具有优异催化性能的催化剂来改善动力学、促进反应进行。迄今为止,贵金属材料Pt基化合物和Ir基化合物（或Ru）具有较理想的HER和OER电催化性能,但是成本高、储量少等原因,限制了它们被广泛应用。过渡金属成本低、储量大,其化合物往往有良好的催化性能,有望替代贵金属类催化剂。常见过渡金属包括Fe、Co、Ni、Mn、W等元素,其中Fe被研究者们广泛用作制备催化剂的原料。本论文致力于使用简单的水热和煅烧方法制备铁基复合纳米材料的催化剂,并研究其HER、OER及全水分解的性能。主要研究内容如下:1、以Ni泡沫（NF）为基底制备纳米催化剂Fe3C/NF并研究其OER催化性能。采用水热和煅烧法制备了催化剂Fe3C/NF。催化剂Fe3C/NF呈纳米片状,垂直地生长在Ni泡沫基底上。催化剂Fe3C/N...
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 引言
1.2 电解水
1.2.1 HER反应
1.2.2 OER反应
1.3 电极材料简介
1.3.1 析氢电极材料简介
1.3.2 析氧电极材料简介
1.4 铁基纳米电催化材料简介
1.4.1 碳化物电催化材料简介
1.4.2 硫化物电催化材料简介
1.5 制备方法
1.5.1 沉淀法
1.5.2 电化学沉积法
1.5.3 离子交换法
1.5.4 溶胶-凝胶法
1.5.5 水热法/溶剂热法
1.6 提升催化剂电催化性能的策略
1.7 本论文的研究内容
2 实验
2.1 实验试剂和仪器
2.1.1 实验主要设备及型号
2.1.2 实验试剂
2.2 催化剂的表征方法
2.2.1 X射线衍射(XRD)
2.2.2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)
2.2.3 能量色散谱(EDS)
2.2.4 透射电子显微镜(TEM)
2.2.5 X射线光电子能谱(XPS)
2.3 电化学测试技术
2.3.1 线性扫描伏安法(LSV)
2.3.2 循环伏安法(CV)
2.3.3 恒电势法和恒电流法
2.3.4 电化学阻抗谱(EIS)
2.4 接触角测试
3 催化剂Fe3C/NF的制备及其催化性能研究
3.1 引言
3.2 实验试剂和仪器
3.2.1 实验主要设备及型号
3.2.2 实验试剂
3.3 实验部分
3.3.1 Fe3C/NF催化材料的制备
3.3.2 对比样品的制备
3.3.3 IrO2催化材料的制备
3.3.4 电化学性能测试
3.4 Fe3C/NF及其对比样品
3.4.1 Fe3C/NF及其对比样品的场发射扫描电镜(FESEM)
3.4.2 Fe3C/NF及其对比样品的OER性能测试
3.5 制备条件的优化
3.5.1 考察表面活性剂对电催化OER性能的影响
3.5.2 考察水热温度对电催化OER性能的影响
3.5.3 考察水热时间对电催化OER性能的影响
3.6 性质表征
3.6.1 X射线衍射(XRD)
3.6.2 透射电子显微镜(TEM)
3.6.3 X射线光电子能谱(XPS)
3.6.4 接触角测试
3.7 电化学表征
3.7.1 电化学阻抗谱(EIS)
3.7.2 双电层电容(Cdl)
3.7.3 稳定性测试
3.8 本章小结
4 催化剂Fe3C@Co2C/NF的制备及其催化性能研究
4.1 引言
4.2 实验试剂和仪器
4.2.1 实验主要设备及型号
4.2.2 实验试剂
4.3 实验部分
4.3.1 前驱体CoO/NF的制备
4.3.2 催化剂Fe3C@Co2C/NF的制备
4.3.3 对比样品的制备
4.3.4 IrO2和Pt/C催化材料的制备
4.3.5 电化学性能测试
4.4 CoO/NF及其对比样品的电催化性能测试
4.4.1 CoO/NF及其对比样品的OER性能测试
4.4.2 CoO/NF及其对比样品的HER性能测试
4.5 性质表征
4.5.1 CoO/NF及其对比样品的场发射扫描电镜(FESEM)
4.5.2 CoO/NF的 X射线衍射(XRD)
4.5.3 CoO/NF的 X射线光电子能谱(XPS)
4.5.4 CoO/NF的接触角测试
4.6 电化学表征
4.6.1 CoO/NF的电化学阻抗谱(EIS)
4.6.2 CoO/NF的双电层电容(Cdl)
4.6.3 CoO/NF的 OER催化稳定性
4.6.4 CoO/NF的 HER催化稳定性
4.6.5 CoO/NF的全水分解性能
4.7 Fe3C@Co2C/NF及其对比样品
4.7.1 Fe3C@Co2C/NF及其对比样品的场发射扫描电镜(FESEM)
4.7.2 Fe3C@Co2C/NF及其对比样品的OER性能测试
4.8 制备条件的优化
4.8.1 考察不同表面活性剂对电催化OER性能的影响
4.8.2 考察铁离子浓度对电催化OER性能的影响
4.8.3 考查SDBS与 NaHCO3的摩尔比对电催化OER性能的影响
4.8.4 考察第二步水热温度对电催化OER性能的影响
4.8.5 考察第二步水热时间对电催化OER性能的影响
4.9 性质表征
4.9.1 X射线衍射(XRD)
4.9.2 透射电子显微镜(TEM)
4.9.3 X射线光电子能谱(XPS)
4.9.4 接触角测试
4.10 电化学表征
4.10.1 电化学阻抗谱(EIS)
4.10.2 双电层电容(Cdl)
4.10.3 稳定性测试
4.11 本章小结
5 催化剂Fe-Co-Ni-Sx/NF的制备及其催化性能研究
5.1 引言
5.2 实验试剂和仪器
5.2.1 实验试剂
5.2.2 实验仪器
5.3 实验部分
5.3.1 前驱体的制备
5.3.2 催化剂Fe-Co-Ni-Sx/NF的制备
5.3.3 催化剂Fe-Co-Ni-Sx/NF的电化学测试
5.4 制备条件的优化
5.4.1 考察不同表面活性剂对电催化性能的影响
5.4.2 考察第二步水热时间对电催化性能的影响
5.4.3 考察第二步水热温度对电催化性能的影响
5.5 性质表征
5.5.1 场发射扫描电镜(FESEM)
5.5.2 X射线衍射(XRD)
5.5.3 接触角测试
5.6 电化学表征
5.6.1 稳定性测试
5.6.2 双电层电容(Cdl)
5.6.3 电化学阻抗谱(EIS)
5.6.4 催化剂Fe-Co-Ni-Sx/NF的 OER性能
5.6.5 催化剂Fe-Co-Ni-Sx/NF的全水分解性能
5.7 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
附录
A.作者在攻读学位期间发表的论文目录
B.学位论文数据集
致谢
本文编号：4018570
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 引言
1.2 电解水
1.2.1 HER反应
1.2.2 OER反应
1.3 电极材料简介
1.3.1 析氢电极材料简介
1.3.2 析氧电极材料简介
1.4 铁基纳米电催化材料简介
1.4.1 碳化物电催化材料简介
1.4.2 硫化物电催化材料简介
1.5 制备方法
1.5.1 沉淀法
1.5.2 电化学沉积法
1.5.3 离子交换法
1.5.4 溶胶-凝胶法
1.5.5 水热法/溶剂热法
1.6 提升催化剂电催化性能的策略
1.7 本论文的研究内容
2 实验
2.1 实验试剂和仪器
2.1.1 实验主要设备及型号
2.1.2 实验试剂
2.2 催化剂的表征方法
2.2.1 X射线衍射(XRD)
2.2.2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)
2.2.3 能量色散谱(EDS)
2.2.4 透射电子显微镜(TEM)
2.2.5 X射线光电子能谱(XPS)
2.3 电化学测试技术
2.3.1 线性扫描伏安法(LSV)
2.3.2 循环伏安法(CV)
2.3.3 恒电势法和恒电流法
2.3.4 电化学阻抗谱(EIS)
2.4 接触角测试
3 催化剂Fe3C/NF的制备及其催化性能研究
3.1 引言
3.2 实验试剂和仪器
3.2.1 实验主要设备及型号
3.2.2 实验试剂
3.3 实验部分
3.3.1 Fe3C/NF催化材料的制备
3.3.2 对比样品的制备
3.3.3 IrO2催化材料的制备
3.3.4 电化学性能测试
3.4 Fe3C/NF及其对比样品
3.4.1 Fe3C/NF及其对比样品的场发射扫描电镜(FESEM)
3.4.2 Fe3C/NF及其对比样品的OER性能测试
3.5 制备条件的优化
3.5.1 考察表面活性剂对电催化OER性能的影响
3.5.2 考察水热温度对电催化OER性能的影响
3.5.3 考察水热时间对电催化OER性能的影响
3.6 性质表征
3.6.1 X射线衍射(XRD)
3.6.2 透射电子显微镜(TEM)
3.6.3 X射线光电子能谱(XPS)
3.6.4 接触角测试
3.7 电化学表征
3.7.1 电化学阻抗谱(EIS)
3.7.2 双电层电容(Cdl)
3.7.3 稳定性测试
3.8 本章小结
4 催化剂Fe3C@Co2C/NF的制备及其催化性能研究
4.1 引言
4.2 实验试剂和仪器
4.2.1 实验主要设备及型号
4.2.2 实验试剂
4.3 实验部分
4.3.1 前驱体CoO/NF的制备
4.3.2 催化剂Fe3C@Co2C/NF的制备
4.3.3 对比样品的制备
4.3.4 IrO2和Pt/C催化材料的制备
4.3.5 电化学性能测试
4.4 CoO/NF及其对比样品的电催化性能测试
4.4.1 CoO/NF及其对比样品的OER性能测试
4.4.2 CoO/NF及其对比样品的HER性能测试
4.5 性质表征
4.5.1 CoO/NF及其对比样品的场发射扫描电镜(FESEM)
4.5.2 CoO/NF的 X射线衍射(XRD)
4.5.3 CoO/NF的 X射线光电子能谱(XPS)
4.5.4 CoO/NF的接触角测试
4.6 电化学表征
4.6.1 CoO/NF的电化学阻抗谱(EIS)
4.6.2 CoO/NF的双电层电容(Cdl)
4.6.3 CoO/NF的 OER催化稳定性
4.6.4 CoO/NF的 HER催化稳定性
4.6.5 CoO/NF的全水分解性能
4.7 Fe3C@Co2C/NF及其对比样品
4.7.1 Fe3C@Co2C/NF及其对比样品的场发射扫描电镜(FESEM)
4.7.2 Fe3C@Co2C/NF及其对比样品的OER性能测试
4.8 制备条件的优化
4.8.1 考察不同表面活性剂对电催化OER性能的影响
4.8.2 考察铁离子浓度对电催化OER性能的影响
4.8.3 考查SDBS与 NaHCO3的摩尔比对电催化OER性能的影响
4.8.4 考察第二步水热温度对电催化OER性能的影响
4.8.5 考察第二步水热时间对电催化OER性能的影响
4.9 性质表征
4.9.1 X射线衍射(XRD)
4.9.2 透射电子显微镜(TEM)
4.9.3 X射线光电子能谱(XPS)
4.9.4 接触角测试
4.10 电化学表征
4.10.1 电化学阻抗谱(EIS)
4.10.2 双电层电容(Cdl)
4.10.3 稳定性测试
4.11 本章小结
5 催化剂Fe-Co-Ni-Sx/NF的制备及其催化性能研究
5.1 引言
5.2 实验试剂和仪器
5.2.1 实验试剂
5.2.2 实验仪器
5.3 实验部分
5.3.1 前驱体的制备
5.3.2 催化剂Fe-Co-Ni-Sx/NF的制备
5.3.3 催化剂Fe-Co-Ni-Sx/NF的电化学测试
5.4 制备条件的优化
5.4.1 考察不同表面活性剂对电催化性能的影响
5.4.2 考察第二步水热时间对电催化性能的影响
5.4.3 考察第二步水热温度对电催化性能的影响
5.5 性质表征
5.5.1 场发射扫描电镜(FESEM)
5.5.2 X射线衍射(XRD)
5.5.3 接触角测试
5.6 电化学表征
5.6.1 稳定性测试
5.6.2 双电层电容(Cdl)
5.6.3 电化学阻抗谱(EIS)
5.6.4 催化剂Fe-Co-Ni-Sx/NF的 OER性能
5.6.5 催化剂Fe-Co-Ni-Sx/NF的全水分解性能
5.7 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
附录
A.作者在攻读学位期间发表的论文目录
B.学位论文数据集
致谢
本文编号：4018570
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