碳基催化剂的制备及在电化学合成氨中的应用
发布时间：2021-06-06 19:41
氨不仅是生产化肥的重要化学品,而且因其具有氢含量高以及易于储存和运输等特点被誉为一种非常有前途的清洁能源载体。目前哈伯-博世法是最主要的合成氨方法,但是该技术耗能大,污染排放高,不符合可持续发展的要求。电催化NRR反应可以在常温常压下使用电能驱动氮气和水的反应生成氨,从而被认为是一种非常有吸引力的合成氨策略。但是,目前电化学合成氨的产率和效率还都比较低,因此开发高性能NRR催化剂是目前的研究热点。碳材料因其具有较大的比表面积、优良的导电性,在电催化领域中发挥着重要的作用。基于此,本文设计了在碳材料基底上生长多孔Fe2O3纳米棒阵列、磷掺杂石墨烯及磷钯共修饰的石墨烯复合电催化剂,用于电化学合成氨的性能研究。本论文的主要研究内容及成果如下:（1）以硝酸铁九水化合物和无水硫酸钠为前驱体,通过水热法在碳布上合成了Fe OOH纳米棒阵列前驱体,然后在N2气氛下煅烧最终得到自支撑多孔Fe2O3纳米棒阵列电催化剂。受益于其自支撑结构,多孔结构以及优异的导电性,该催化剂在电催化NRR合成氨反应...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多相催化剂上NRR的机理示意图[16]
金属结合在一起形成双金属也被广泛研究。这些催化剂具有耐高温、耐腐蚀等优点，但也存在价格昂贵的问题，金属资源的稀缺性和高成本严重阻碍了贵金属催化剂在电化学合成氨领域的发展和大规模应用。因此，近年来又出现了一些新的电化学合成氨催化剂，包括:过渡金属复合催化剂、碳基催化剂和单原子催化剂等。1.2过渡金属纳米材料的电化学合成氨性能研究1.2.1过渡金属氧化物过渡金属氧化物因其低廉的价格、易于获取以及高催化活性等性质被广泛应用于催化领域，在电催化领域具有重要应用。例如，Han等[17]合成了MoO3纳米片（图1-2），在室温和大气压下，在0.1M的HCl中，该催化剂具有显著的NRR性能，产氨速率为4.80×10-10mol·s-1·cm-2（29.43μg·h1·mg1cat.），法拉第效率为1.9％，而且表现出优异的选择性。此外，该催化剂还显示出良好的电化学稳定性和耐久性。同时，衍生的过渡金属氧化物复合纳米材料，也被应用于电化学合成氨反应，且取得了较为优异的催化性能[18-20]。例如，Chu等[21]开发了在石墨烯上负载的NiO纳米点作为高性能NRR电催化剂，该催化剂具有显著的NRR性能，产氨速率为18.6μg·h1·mg1cat.，法拉第效率7.8％，优于大多数报道的NRR电催化剂。此外，该催化剂还显示出良好的电化学稳定性和耐久性。图1-2（a和b）MoO3纳米片的扫描电子显微镜（SEM）图,（c）透射电镜（TEM）图，（d）高分辨TEM图，以及（e和f）相应EDX元素分布图[17]Figure1-2.(aandb)SEMimagesoftheMoO3nanosheets,(c)TEMand(d)HRTEMimagesoftheMoO3nanosheets,(eandf)EDXelementalmappingofMoandOforMoO3
浙江工业大学硕士学位论文41.2.2过渡金属氢氧化物过渡金属氢氧化物具有较高的催化活性，已广泛应用于燃料电池、电催化析氧反应（OER）、电化学合成氨等领域。目前过渡金属氢氧化物主要应用于OER反应，其中层状双氢氧化物（LDHs）是目前OER电化学催化剂研究的热点，一般分为MOOH和M(OH)2两种类型[22-25]。此外，LDHs表面具有羟基基团可通过共价键结合、静电作用力以及形成氢键的方式进行表面修饰等特点，因此其在各种不同催化领域都有广泛应用。同时，将过渡金属氢氧化物应用于电化学合成氨领域也逐渐成为研究热点。例如，Zhu等[26]合成了β-FeOOH纳米棒可作为一种高效且持久的NRR电催化剂，在0.5M的LiClO4中，这种电催化剂具有较高的产氨速率（23.32μg·h1·mg1cat）.和法拉第效率（6.7％），性能优于大多数报道的水基NRR电催化剂。值得注意的是，该催化剂还显示出良好的电化学稳定性和优异的选择性（图1-3）。图1-3（a）β-FeOOH样品的XRD谱图，（b）SEM图，（c）TEM图，（d）高分辨TEM图，以及（e）Fe2p和（f）O1s的XPS谱图[26]Figure1-3.(a)XRDpatternsand(b)SEMimagesofβ-FeOOH,(c)TEMand(d)HRTEMimagesofaβ-FeOOHnanorod,XPSsurveyspectraforβ-FeOOHinthe(e)Fe2pand(f)O1sregions
【参考文献】：
博士论文
[1]非金属与过渡金属纳米材料的制备及在常温常压下电催化还原N2和CO2的性能研究[D]. 邱伟斌.南昌大学 2019
本文编号：3215019
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多相催化剂上NRR的机理示意图[16]
金属结合在一起形成双金属也被广泛研究。这些催化剂具有耐高温、耐腐蚀等优点，但也存在价格昂贵的问题，金属资源的稀缺性和高成本严重阻碍了贵金属催化剂在电化学合成氨领域的发展和大规模应用。因此，近年来又出现了一些新的电化学合成氨催化剂，包括:过渡金属复合催化剂、碳基催化剂和单原子催化剂等。1.2过渡金属纳米材料的电化学合成氨性能研究1.2.1过渡金属氧化物过渡金属氧化物因其低廉的价格、易于获取以及高催化活性等性质被广泛应用于催化领域，在电催化领域具有重要应用。例如，Han等[17]合成了MoO3纳米片（图1-2），在室温和大气压下，在0.1M的HCl中，该催化剂具有显著的NRR性能，产氨速率为4.80×10-10mol·s-1·cm-2（29.43μg·h1·mg1cat.），法拉第效率为1.9％，而且表现出优异的选择性。此外，该催化剂还显示出良好的电化学稳定性和耐久性。同时，衍生的过渡金属氧化物复合纳米材料，也被应用于电化学合成氨反应，且取得了较为优异的催化性能[18-20]。例如，Chu等[21]开发了在石墨烯上负载的NiO纳米点作为高性能NRR电催化剂，该催化剂具有显著的NRR性能，产氨速率为18.6μg·h1·mg1cat.，法拉第效率7.8％，优于大多数报道的NRR电催化剂。此外，该催化剂还显示出良好的电化学稳定性和耐久性。图1-2（a和b）MoO3纳米片的扫描电子显微镜（SEM）图,（c）透射电镜（TEM）图，（d）高分辨TEM图，以及（e和f）相应EDX元素分布图[17]Figure1-2.(aandb)SEMimagesoftheMoO3nanosheets,(c)TEMand(d)HRTEMimagesoftheMoO3nanosheets,(eandf)EDXelementalmappingofMoandOforMoO3
浙江工业大学硕士学位论文41.2.2过渡金属氢氧化物过渡金属氢氧化物具有较高的催化活性，已广泛应用于燃料电池、电催化析氧反应（OER）、电化学合成氨等领域。目前过渡金属氢氧化物主要应用于OER反应，其中层状双氢氧化物（LDHs）是目前OER电化学催化剂研究的热点，一般分为MOOH和M(OH)2两种类型[22-25]。此外，LDHs表面具有羟基基团可通过共价键结合、静电作用力以及形成氢键的方式进行表面修饰等特点，因此其在各种不同催化领域都有广泛应用。同时，将过渡金属氢氧化物应用于电化学合成氨领域也逐渐成为研究热点。例如，Zhu等[26]合成了β-FeOOH纳米棒可作为一种高效且持久的NRR电催化剂，在0.5M的LiClO4中，这种电催化剂具有较高的产氨速率（23.32μg·h1·mg1cat）.和法拉第效率（6.7％），性能优于大多数报道的水基NRR电催化剂。值得注意的是，该催化剂还显示出良好的电化学稳定性和优异的选择性（图1-3）。图1-3（a）β-FeOOH样品的XRD谱图，（b）SEM图，（c）TEM图，（d）高分辨TEM图，以及（e）Fe2p和（f）O1s的XPS谱图[26]Figure1-3.(a)XRDpatternsand(b)SEMimagesofβ-FeOOH,(c)TEMand(d)HRTEMimagesofaβ-FeOOHnanorod,XPSsurveyspectraforβ-FeOOHinthe(e)Fe2pand(f)O1sregions
【参考文献】：
博士论文
[1]非金属与过渡金属纳米材料的制备及在常温常压下电催化还原N2和CO2的性能研究[D]. 邱伟斌.南昌大学 2019
本文编号：3215019
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