镍基化合物参与的分解水制氢体系构建及作用机制

发布时间：2017-09-08 11:51

  本文关键词：镍基化合物参与的分解水制氢体系构建及作用机制

  更多相关文章： 分解水 氢气 硫化镍 磷化镍

【摘要】：开发清洁无污染的新型能源,成为满足能源需求、减少环境污染、实现能源可持续发展的趋势。氢能因其无碳排放、产物无污染等优势,成为极具发展潜力的清洁能源。其中,分解水制氢的原料是水,而氢气的燃烧产物又是水,从而实现循环发展,被认为是最理想最环保的制氢途径。然而目前分解水产氢催化剂性能最好的是贵金属Pt,含量较少而成本极高。综合考虑催化性能及成本,高效、低廉的镍基化合物的催化剂具有更良好的应用前景。本文主要研究内容如下:1.NiS/CdTe/NiO光电催化复合材料的制备及产氢应用光电化学分解水制氢是充分利用太阳光进行分解水的一类反应。其中,对于光电阴极的研究相对较少。相对于Si类、Cu2O类光电阴极,NiO类的光电阴极稳定性较好。目前,对于NiO基的光电阴极的研究主要集中在以染料分子为吸光物质。因染料分子自身的限制,使得其太阳光利用效率较低。为提高太阳光的利用效率特别是可见光的利用率,本实验中采用量子点敏化NiO制备光电阴极。结合形貌表征,发现量子点均匀地吸附到NiO表面。通过考察CdTe/NiO光电阴极的光电化学性能及稳定性,发现CdTe/NiO光电阴极实现可见光的吸收且稳定性较好。在此基础上,加入Ni_2+构建NiS/CdTe/NiO光电阴极催化产氢体系,考察光电催化产氢的影响因素及产氢性能,发现过电势、可见光、MPA-CdTe量子点、Ni_2+是该体系进行光电催化产氢必不可少的条件,在过电势为92 mV下,产氢达10.38μmol,法拉第效率近100%。对NiS/CdTe/NiO光电阴极催化产氢的工作机理进行探究,NiS能有效促进光生电荷的分离,提高光电流密度,增强光电催化产氢性能。2.自支撑Ni-P/NF电催化复合材料的制备及产氢应用电化学分解水是目前较为普遍的分解水的一类反应。与硫化物相比,磷化物的适用范围更广、稳定性更好。在众多的以磷化物为催化剂的电催化产氢体系中,其催化产氢性能十分优越,但是催化剂与电极的结合方式大多是机械结合或依靠导电胶,限制了催化剂的性能。本实验中通过电沉积法制备自支撑磷化镍电极,实现与基底的牢固连接,增加结构的稳定性,促进电荷的快速传输。采用电化学表征考察Ni-P/NF电极在不同环境下的电化学性能,发现Ni-P/NF电极在中性环境中电流密度为-10 mA·cm-2时,过电势为54 mV,在碱性环境中电流密度-50 mA·cm-2时,过电势为235 mV。对自支撑磷化镍电极的稳定性进行考察,发现该电极在不同环境下进行长时间电催化反应,电流密度基本不变。对自支撑磷化镍电极的产氢机理进行探究,结合电化学阻抗表征,发现磷化镍降低了电极与电解液界面的电阻,增强电极表面与电解液之间的导电性。通过极化曲线的表征,表明磷化镍电极内含有的微量Ni3(PO4)2与溶液中的磷酸根离子产生协同效应,使得溶液中的质子快速的转移至电极表面的活性位点。3.g-C_3N_4/Ni_2P光催化复合材料的制备及产氢应用无金属半导体g-C_3N_4因其热稳定性好等优势被作为光催化剂进行催化产氢实验,然而单一g-C_3N_4的光生电荷复合率较高,导致光催化性能较差。基于磷化镍优越的产氢性能及稳定性,首次将磷化镍与g-C_3N_4结合应用于光催化产氢反应中,构建适合宽pH范围的光催化产氢体系。本实验通过煅烧的方法结合g-C_3N_4与Ni_2P,制备gC_3N_4/Ni_2P光催化产氢催化剂。通过形貌结构等的表征得知Ni_2P作为助催化剂附着在gC_3N_4纳米片表面。对g-C_3N_4/Ni_2P催化剂进行一系列的稳定性检测发现该体系的稳定性良好,实现了宽pH范围的分解水制氢应用,且具有一定的实用价值。g-C_3N_4/Ni_2P光催化反应48 h的产氢量达27.75 mmol·g-1且光催化活性没有下降。结合PL、电化学表征,探究g-C_3N_4/Ni_2P光催化产氢的机理,发现Ni_2P作为助催化剂,降低光生电子与空穴的复合,促进光生电荷的分离,提高光催化产氢性能。
【关键词】：分解水 氢气 硫化镍 磷化镍
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2;O643.36
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 前言9
• 1.2 制氢技术9-10
• 1.3 电解水制氢10-11
• 1.4 光解水制氢技术11-16
• 1.4.1 光催化分解水制氢12-14
• 1.4.2 光电催化分解水制氢14-16
• 1.5 分解水制氢中的催化剂16-17
• 1.5.1 氧化镍16
• 1.5.2 硫化镍16-17
• 1.5.3 磷化镍17
• 1.6 课题意义及研究内容17-19
• 第二章 NiS/CdTe/NiO光电催化复合材料的制备及产氢应用19-33
• 2.1 引言19-20
• 2.1.1 研究背景19
• 2.1.2 本章创新点19-20
• 2.2 实验试剂20
• 2.3 主要实验仪器20
• 2.4 实验方法20-23
• 2.4.1 MPA-CdTe量子点的制备20-21
• 2.4.2 NiO电极的制备21
• 2.4.3 CdTe/NiO光电阴极的制备21
• 2.4.4 测试与表征方法21-23
• 2.5 实验结果与讨论23-31
• 2.5.1 CdTe/NiO光电阴极的表征23-26
• 2.5.2 CdTe/NiO光电阴极的制氢测试26-29
• 2.5.3 NiS/CdTe/NiO光电阴极的表征29-30
• 2.5.4 NiS/CdTe/NiO光电阴极催化产氢的机理探究30-31
• 2.6 本章小结31-33
• 第三章 自支撑Ni-P/NF电催化复合材料的制备及产氢应用33-43
• 3.1 引言33
• 3.1.1 研究背景33
• 3.1.2 本章创新点33
• 3.2 实验试剂33-34
• 3.3 主要实验仪器34
• 3.4 实验方法34
• 3.4.1 Ni-P/NF电极的制备34
• 3.4.2 测试与表征方法34
• 3.5 实验结果与讨论34-41
• 3.5.1 Ni-P/NF电极的表征34-36
• 3.5.2 Ni-P/NF电极的电化学测试36-40
• 3.5.3 Ni-P/NF电极的电催化产氢的机理研究40-41
• 3.6 本章小结41-43
• 第四章 g-C_3N_4/Ni_2P光催化复合材料的制备及产氢应用43-55
• 4.1 引言43-44
• 4.1.1 研究背景43
• 4.1.2 本章创新点43-44
• 4.2 实验试剂44
• 4.3 主要实验仪器44
• 4.4 实验方法44-46
• 4.4.1 g-C_3N_4的制备44-45
• 4.4.2 Ni_2P的制备45
• 4.4.3 g-C_3N_4/Ni_2P的制备45
• 4.4.4 测试与表征方法45-46
• 4.5 实验结果与讨论46-54
• 4.5.1 g-C_3N_4/Ni_2P的表征46-49
• 4.5.2 g-C_3N_4/Ni_2P的制氢性能测试49-52
• 4.5.3 g-C_3N_4/Ni_2P光催化产氢的机理研究52-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第五章 全文总结与展望55-57
• 5.1 全文总结55-56
• 5.2 展望56-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-67
• 附录：作者在攻读硕士学位期间所完成的论文67

，

本文编号：813878