胆碱类离子液体电化学制备镍基电极材料及其析氢性能研究
发布时间：2021-11-28 10:05
随着社会的发展,化石燃料日益枯竭和诸多环境问题迫使人们寻求新型的清洁能源。氢能作为潜在的替代者,具有能量密度高、对环境友好、地球丰度高等优点,被公认为绿色能源载体。当前,碱性水电解制氢是可持续制氢的最有前景的方法之一。但是电解水的能耗仍然太高,因此,研发具有低过电位及高催化活性的阴极材料是降低其能耗的关键。铂族金属（如Pt和Pd）基催化剂具有过电位低、塔菲尔斜率低、交换电流密度高、析氢反应稳定性好等优点,是最具吸引力的阴极析氢催化剂材料。然而,昂贵的成本和地球储量少限制了贵金属基催化剂的商业应用。近年来,地球丰度高、成本较低的过渡金属基催化剂在碱性条件下已逐渐显示出巨大的催化潜力。其中Ni基阴极材料具有较好的析氢催化活性,而且在碱性条件下具有良好的耐蚀性和稳定性,是取代贵金属基材料的理想材料之一,但其具有的催化活性及循环稳定性仍然有待提高。本论文以提高镍基电极材料的析氢催化活性为目的,从能量因素和几何因素两个方面来设计具有不同形貌的自支撑镍基电极材料。研究采用离子液体作为新型电解液,通过电化学技术实现对自支撑镍基电极材料的绿色环保、低能耗、无添加剂以及无导电剂的短流程制备方式,进一步研...
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：199 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
氢能可持续生产和利用的路线[1]
上海大学博士学位论文51.3电解水制氢的简介对于电解水，科研工作者们做了大量研究。电解水的总反应方程式为：2H2O=2H2↑+O2↑。图1.2显示的是电解水的示意图，电解槽包括电解液、阴极和阳极。电解槽通入电流后，在阴极上会发生析氢反应产生氢气（HER），同时在阳极上也会发生析氧反应产生氧气（OER）。然而实际的电解过程中，使用纯水作为电解液时由于其导电性很差，水分解反应很微弱，因此通常通过加入稳定的非挥发性的电解质如H2SO4、KOH、NaOH、NaH2PO4等来增大水的导电性。而电解液根据加入的电解质不同可分为酸性、碱性以及中性电解液。阴、阳极上的反应根据电解液的酸碱性不同分为以下两种情况：电解液为酸性的条件下，两个电极上的反应分别为：阴极反应：2H++2e–→H2（1-4）阳极反应：H2O→2H++1/2O2+2e–（1-5）电解液为碱性或者中性的条件下，两个电极上的反应分别为：阴极反应：2H2O+2e–→2OH–+H2（1-6）阳极反应：2OH–→2e–+H2O+1/2O2（1-7）图1.2电解水示意图[9]Fig.1.2Schematicdiagramofthewaterelectrolysis[9]
上海大学博士学位论文6由于酸性条件下，H+对电解槽以及电极材料具有很强的腐蚀性，因此工业上基本采用的是碱性条件下电解水制氢。在90年前，碱性电解水制氢技术已经实现商业化，目前技术很成熟，氢气纯度也很高，全球4%制备的氢气是通过该技术制备生产的。工业上采用的电解槽装置如图1.3所示，通常是由几组电解池构成，电解槽的阴极和阳极被质子膜隔开，电解质采用的是高浓度的强碱性溶液（25wt.%~30wt.%KOH/NaOH），电解温度在65℃~100℃范围内，一般采用直流电源。高温下的强碱性溶液对电极材料腐蚀性也不容忽视，因此研究耐蚀性的电极材料具有很大的意义。图1.3碱性电解槽装置示意图[10]Fig.1.3Schematicdiagramofanalkalineelectrolysiscell[10]在25℃和101.325KPa下水分解所需要施加的热力学理论电压为1.23V。然而，实际上需要施加超过理论电压的电压值，才能够实现电化学水分解。由于在电化学过程中阴极和阳极都存在固有的活化屏障，因此会产生过电位（也称为超/过电位，），阳极和阴极过电位分别用c和a表示。当然，电解槽中还存在因其它电阻如溶液电阻和接触阻抗等产生的过电位（other）。所以电解槽实际所需要消耗的电压（E）可以用公式（1-8）来表示：E=1.23V+a+c+other（1-8）
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent progress on earth abundant electrocatalysts for hydrogen evolution reaction（HER） in alkaline medium to achieve efficient water splitting–A review[J]. Jamesh Mohammed-Ibrahim,Xiaoming Sun. Journal of Energy Chemistry. 2019(07)
[2]电催化析氢反应及析氢催化剂研究进展[J]. 梁馨元,施筱萱,赵悦君. 化工管理. 2019(07)
[3]Heterostructured Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction Under Alkaline Conditions[J]. Jumeng Wei,Min Zhou,Anchun Long,Yanming Xue,Hanbin Liao,Chao Wei,Zhichuan J.Xu. Nano-Micro Letters. 2018(04)
[4]离子液体研究进展[J]. 石家华,孙逊,杨春和,高青雨,李永舫. 化学通报. 2002(04)
硕士论文
[1]镍基电催化剂的制备及析氢性能研究[D]. 吴新勇.深圳大学 2017
[2]离子液体中电沉积镍钼合金及其催化析氢性能[D]. 黄波.天津大学 2014
本文编号：3524228
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：199 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
氢能可持续生产和利用的路线[1]
上海大学博士学位论文51.3电解水制氢的简介对于电解水，科研工作者们做了大量研究。电解水的总反应方程式为：2H2O=2H2↑+O2↑。图1.2显示的是电解水的示意图，电解槽包括电解液、阴极和阳极。电解槽通入电流后，在阴极上会发生析氢反应产生氢气（HER），同时在阳极上也会发生析氧反应产生氧气（OER）。然而实际的电解过程中，使用纯水作为电解液时由于其导电性很差，水分解反应很微弱，因此通常通过加入稳定的非挥发性的电解质如H2SO4、KOH、NaOH、NaH2PO4等来增大水的导电性。而电解液根据加入的电解质不同可分为酸性、碱性以及中性电解液。阴、阳极上的反应根据电解液的酸碱性不同分为以下两种情况：电解液为酸性的条件下，两个电极上的反应分别为：阴极反应：2H++2e–→H2（1-4）阳极反应：H2O→2H++1/2O2+2e–（1-5）电解液为碱性或者中性的条件下，两个电极上的反应分别为：阴极反应：2H2O+2e–→2OH–+H2（1-6）阳极反应：2OH–→2e–+H2O+1/2O2（1-7）图1.2电解水示意图[9]Fig.1.2Schematicdiagramofthewaterelectrolysis[9]
上海大学博士学位论文6由于酸性条件下，H+对电解槽以及电极材料具有很强的腐蚀性，因此工业上基本采用的是碱性条件下电解水制氢。在90年前，碱性电解水制氢技术已经实现商业化，目前技术很成熟，氢气纯度也很高，全球4%制备的氢气是通过该技术制备生产的。工业上采用的电解槽装置如图1.3所示，通常是由几组电解池构成，电解槽的阴极和阳极被质子膜隔开，电解质采用的是高浓度的强碱性溶液（25wt.%~30wt.%KOH/NaOH），电解温度在65℃~100℃范围内，一般采用直流电源。高温下的强碱性溶液对电极材料腐蚀性也不容忽视，因此研究耐蚀性的电极材料具有很大的意义。图1.3碱性电解槽装置示意图[10]Fig.1.3Schematicdiagramofanalkalineelectrolysiscell[10]在25℃和101.325KPa下水分解所需要施加的热力学理论电压为1.23V。然而，实际上需要施加超过理论电压的电压值，才能够实现电化学水分解。由于在电化学过程中阴极和阳极都存在固有的活化屏障，因此会产生过电位（也称为超/过电位，），阳极和阴极过电位分别用c和a表示。当然，电解槽中还存在因其它电阻如溶液电阻和接触阻抗等产生的过电位（other）。所以电解槽实际所需要消耗的电压（E）可以用公式（1-8）来表示：E=1.23V+a+c+other（1-8）
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent progress on earth abundant electrocatalysts for hydrogen evolution reaction（HER） in alkaline medium to achieve efficient water splitting–A review[J]. Jamesh Mohammed-Ibrahim,Xiaoming Sun. Journal of Energy Chemistry. 2019(07)
[2]电催化析氢反应及析氢催化剂研究进展[J]. 梁馨元,施筱萱,赵悦君. 化工管理. 2019(07)
[3]Heterostructured Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction Under Alkaline Conditions[J]. Jumeng Wei,Min Zhou,Anchun Long,Yanming Xue,Hanbin Liao,Chao Wei,Zhichuan J.Xu. Nano-Micro Letters. 2018(04)
[4]离子液体研究进展[J]. 石家华,孙逊,杨春和,高青雨,李永舫. 化学通报. 2002(04)
硕士论文
[1]镍基电催化剂的制备及析氢性能研究[D]. 吴新勇.深圳大学 2017
[2]离子液体中电沉积镍钼合金及其催化析氢性能[D]. 黄波.天津大学 2014
本文编号：3524228
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