过渡金属与碳基复合材料电解水催化剂的优化设计

发布时间：2022-02-20 23:47

　　可再生能源已经成为替代日益枯竭的化石能源的重要选择,但是由于其生产的间歇性和输出不稳定性等原因造成了低效的能源利用率,如何高效地存储这些能源成为了亟需解决的难题。氢气由于具有高能量密度和环境零污染被认为是一个极具有前景的二次能源,通过电解水产氢也成了解决可再生能源高效利用的重要途径之一。但是阴阳两极电催化剂的开发严重制约了电解水产氢技术被广泛应用。目前性能最好的电催化剂主要还是贵金属基的催化剂,因此开发廉价高效的析氢和析氧催化剂成为推进电解水大规模工业化应用的关键。本文以过渡金属与碳复合催化剂作为研究的切入点。首先析氢反应,利用杂原子掺杂对碳载体进行修饰,在极大减少Pt负载量的前提下依旧具有优异析氢催化性能;其次对于析氧反应,探索了镍（Ni）晶体结构对析氧反应催化性能的影响,并以此为基础发展了高效的密排六方结构镍铁（NiFe）合金析氧催化剂。具体开展了以下三部分研究工作:（1）近年来,业界研发人员陆续发展了很多非贵金属基阴极析氢催化剂,但是性能和Pt相比还相差很远,Pt依旧是性能方面无可替代的高效的析氢催化剂,但由于Pt有限的储量和昂贵的价格限制了其大规模的商业应用。从这种考虑出发,降... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校

【文章页数】：122 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．２典型的ＨＥＲ?（左侧）和ＯＥＲ?（右侧）极化曲线｜２１

压不受电解液酸碱度的影响，却受温度的影响，提高温度可以降低热力学电压。??但是，在实际应用中施加１．２３?Ｖ的外加电压反应根本不会进行。这可以被理解??为大多数电化学过程都必须要克服一个活化能垒才能进行，如图１．４所示，能垒??的大小很大程度上决定了反应发生的条件［５］。因此，电化学反应能够顺利进行通??常需要提供高于热力学上决定的电压。这个实际操作电压与热力学理论电压的差??值称之为过电位（ｎ），它包括克服电化学极化，有阴极过电位（ｎｃ）和阳极过电??位（、），以及浓差极化、电解液内阻接触电阻造成欧姆电位降（ｒ＾ｕ＾）。因此，??电解水的实际操作电压可以表示为［１］：??Ｅｒｅａｌ?＿?１．２３?＋?ｒｊａ?＋?Ｈｅ?＋?１〇加「??—貧…：??／Ｈｉ一??Ｅｅｉｅｃ?／??Ｊ—：：??图１．４?ＨＥＲ反应的能级示意图｜ＳＩ。??４??

＾?Ｔｏｔｅｌｍａｃｔｉｏｎ??图１．３?（ａ）碱性液体电解槽和（ｂ）固体聚合物电解槽结构示意图＇??根据Ｎｅｍｓｔ方程，在标准条件下，即温度为２９８?Ｋ，压强为ｌａｔｍ，在酸性??条件下阳极析氧反应的标准电极电势为１．２３?Ｖ，阴极析氢反应的标准电极电势为??０Ｖ，因此使电解水反应进行的理论热力学电压为１．２３?Ｖ。并且电解水的理论电??压不受电解液酸碱度的影响，却受温度的影响，提高温度可以降低热力学电压。??但是，在实际应用中施加１．２３?Ｖ的外加电压反应根本不会进行。这可以被理解??为大多数电化学过程都必须要克服一个活化能垒才能进行，如图１．４所示，能垒??的大小很大程度上决定了反应发生的条件［５］。因此，电化学反应能够顺利进行通??常需要提供高于热力学上决定的电压。这个实际操作电压与热力学理论电压的差??值称之为过电位（ｎ）

【参考文献】：
期刊论文
[1]Crystal phase control in two-dimensional materials[J]. Jialiang Wang,Yang Wei,Hai Li,Xiao Huang,Hua Zhang.  Science China（Chemistry）. 2018(10)



本文编号：3636054