本生反应产物电解制氢电催化电极的制备及性能研究

发布时间：2020-08-15 21:31

【摘要】：随着社会的发展,人类对能源的需求越来越大,鉴于化石燃料的日益枯竭,寻找化石燃料替代品已成为当代的使命。氢是一种绿色可持续能源,人们对它寄予了厚望。本生(Bunsen)反应产物电解制氢是实现工业制氢气的希望的途径之一,但是Bunsen反应产物电解制氢进行离不开催化剂的使用。贵金属基催化剂是世界上公认的是最佳的电解催化剂。然而,这类催化剂的广泛使用受到高成本和低储备的极大限制。因此,为了降低成本、提高电解HI的效率,迫切需要研发一种由具有地壳丰量的元素组成的非贵金属催化剂。决定催化剂催化活性两大因素:催化剂表面活性位点的数量和催化剂活性位点的内在活性,催化剂的性能与其化学元素组成和表面微观结构密切相关。本论文通过简单的水热反应在Ti基板和泡沫Ni表面生长上相应的硫化物,制备高效的非贵金属电解制氢催化剂。本文取得了以下的研究成果:1.通过水热法成功在Ti板表面均匀生长上S-TiO_2纳米片。S的掺杂降低了TiO_2的能带间隙,使得S-TiO_2/Ti在碘析出反应中表现出优异的电催化性能。S-TiO_2/Ti在1.05 V的过电位下电流密度可达100 mA/cm~2,与贵金属铂的催化活性相近。在酸性条件下,与纯Ti板相比,它还具有更好的长期电解稳定性。在1.30 V的恒压电解下,S-TiO_2/Ti复合材料的电流效率也接近100%。这项工作为廉价、高效的非贵金属电解HI催化剂的设计和合成注入新的动力。2.MoS_2是一种被寄予厚望的电解催化剂,本论文在Ti片表面修饰MoS_2催化剂。反应时间为6小时的复合材料(MoS_2/Ti-6)在强酸性条件下表现高催化产氢性能。MoS_2/Ti-6复合材料在302 mV的过电位下就可以达到100 mA/cm~2的电流密度,在酸性条件下连续电解超过24小时,电流效率接近100%。电化学性能表明,MoS_2修饰改性是提高本生反应产物电催化产氢性能的有效途径之一。3.Ni基材料由于其优越的催化活性以及良好的稳定性,成为目前的研究热点。本论文采用温和条件的水热反应,在泡沫镍上生长出稳定的Ni_3S_2。反应时间为18小时的复合材料(Ni_3S_2/NF-18)催化产氢性能最佳。Ni_3S_2/NF-18复合材料电催化制氢时电流密度达到100 mA/cm~2过电位仅为291 mV。在复合材料电化学测试时,发现其具有良好的电催化稳定性,并且电流效率接近100%。Ni_3S_2/NF-18复合材料可用作高效、稳定的电解产氢催化剂。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ426;TQ116.2
【图文】：

第 2 章 S-TiO2纳米片修饰 Ti 片作为 HI 电解催化剂S-TiO2的 TEM 和 HRTEM 图像（图 2.4A和图 2.4B）显示，S-TiO2纳米片由金红石 TiO2的晶核组成。宽度约 0.26 nm 的晶格条纹是六方 TiS2微晶的（011）面，由此即可证明 TiS2的存在；0.325 nm 和 0.22 nm 的晶面间距分别是金红石 TiO2的（110）面和基底 Ti 的（101）面。

图 3.3A是 MoS2/Ti 材料和纯 Ti 片的 XRD 谱图。从图中我们可以很明显材料的衍射峰位基本一致，均可以很好的和纯钛（JCPDS Card No. 44应。在所有的 MoS2/Ti 材料的衍射峰中，并未发现有与 MoS2相对应的进一步证明 MoS2的晶体结构，将 MoS2/Ti-6 材料表面的 MoS2进行 XR 3.3B），发现其所有的衍射峰与六方相的 MoS2相匹配。但是所有的衍弱，说明了其低的结晶度，这也与前面的 XRD 结果相对应。

为了进一步确定 MoS2/Ti 材料表面元素组成与化学状态，我们对 MoS2/Ti-6 样品进行了 X-射线光电子能谱（XPS）分析。图 3.4A 是 Mo 3d 的特征峰，在 228.9eV 和 232.7 eV 处的结合能分别代表的是 Mo 3d5/2和 Mo 3d3/2，由此可知在 MoS2/Ti-6 表面上 Mo 的主要氧化态为 Mo4+，而结合能在 230.1 eV 和 236.0 eV 处代表的是Mo6+，Mo6+的存在是由于 MoS2暴露在空气中时表面被氧化引起的[15,16]。其中，结合能在 226.2 eV处是 S 2s 的特征峰位。如图 3.4B 所示的是 S 2p的特征峰，其中特征峰位于 161.6 eV和 163.0 eV处分别代表的是 MoS2中 S2-的 S2p3/2和 S2p1/2的特征峰[17,18]。结合能为 168.8 eV 是 SO42-的特征峰，其在 MoS2中表现出较高的强度，表明氧化钼酸盐氧化了表面的 S。由图 3.4C可知，O1s的特征峰在 531.7 eV上，它可能来自材料表面吸附水、氧气或者是 MoS2表面的轻微氧化。XPS 谱图直接证明了MoS2/Ti-6 表面上 Mo 和 S 原子主要是以 MoS2的形式存在的。

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本文编号：2794678