新型MoP基析氢电催化剂制备及性能研究

发布时间：2017-10-31 17:40

  本文关键词：新型MoP基析氢电催化剂制备及性能研究

  更多相关文章： MoP 析氢反应 海绵 碳布 三维结构

【摘要】：化石燃料的日益枯竭引发了世界范围内的能源危机和环境问题。近年来,氢能作为21世纪可取代化石燃料的清洁可持续能源得到了广发关注。现如今电力来源如风力、潮汐、太阳能等的大力发展促使电能成本不断降低,使电解水制氢成为具有前景的制氢手段。在电解水制氢过程中,电催化剂扮演着重要作用,因其决定着析氢反应(HER)的电流密度和起始电位。尽管基于Pt系贵金属一直被视为最好的析氢催化剂,但其短缺和高成本阻碍了它们的广泛使用。因此,寻找资源丰富、成本低廉的非贵金属催化剂取代铂系金属成为电解水制氢技术大规模应用的先决条件。此外,高性能、耐受性好、易于制造也是影响催化剂电极实际应用的重要因素。本文中主要从催化剂的形貌和结构上来提升磷化钼(MoP)催化剂的电催化活性。首先,以海绵为起始模板,采用程序升温还原法合成了大表面积、多孔、多隧道,由纳米颗粒组成的三维块状磷化钼(3D MoP),该催化剂不需粘合剂可直接作为电极用于析氢装置中,表现出了优秀的催化性能。在酸性介质中,3D MoP的Tafel斜率低至126 mV dec-1,交换电流密度高达3.052 mA cm-2,当电流密度为10和20 mA cm-2时,过电位分别为105和155 mV,法拉第效率接近100%;碱性条件下,该催化剂具有相近的催化性能。在稳定性测试中,经过60000s的恒压测试,3D MoP在酸性和碱性条件下的保持率分别为96%和93%。该工作提供了可用于大规模应用的一种简单、经济的方法制备高效HER电催化剂。另一方面,为提高MoP电极材料的整体导电性,赋予催化剂特定的形貌,增大催化反应的面积,本文还采用碳布(CC)为基底,水热法制备了半球形貌的MoP直接生长于CC(MoP-HS@CC)。该催化剂在酸碱条件下均具有很好催化活性和耐受性,酸性介质中,起始电位低至30 mV,Tafel斜率为61 mV dec-1,交换电流密度为0.438mA cm-2,为达到10和100 mA cm-2的电流密度,仅需过电位分别为87和195 mV;碱性条件下,起始点位低至33 mV,Tafel斜率为64 mV dec-1,为获得电流密度10和100 mA cm-2,过电位分别为121和223 mV。该电极材料制备方法可控,大小易于调节,且具有优异的HER催化性能。本文提供了构造高效三维析氢电催化剂的方法,为大规模实际应用提供了基础。
【关键词】：MoP 析氢反应 海绵 碳布 三维结构
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-25
• 1.1 引言10-11
• 1.2 电解水制氢11-14
• 1.2.1 电解水制氢基本原理11-12
• 1.2.2 HER基本原理与电化学性能评估12-14
• 1.3 贵金属催化剂14
• 1.4 非贵金属催化剂14-23
• 1.4.1 硫化物与硒化物15-19
• 1.4.2 碳化物与氮化物19-20
• 1.4.3 磷化物20-23
• 1.5 课题的主要研究内容及目的23-25
• 第2章 实验材料与方法25-34
• 2.1 实验药品25
• 2.2 实验仪器与设备25-26
• 2.3 材料制备方法26-28
• 2.3.1 程序升温还原法26-27
• 2.3.2 次磷酸盐热分解法27-28
• 2.3.3 三辛基膦热分解合成法28
• 2.4 材料表征方法28-31
• 2.4.1 扫描电镜28-29
• 2.4.2 透射电镜29
• 2.4.3 X射线衍射29
• 2.4.4 BET比表面积测试29-30
• 2.4.5 拉曼光谱30
• 2.4.6 X射线光电子能谱(XPS)表征30-31
• 2.5 电化学表征方法31-34
• 2.5.1 电化学测试体系31
• 2.5.2 工作电极的制备31
• 2.5.3 线性扫描伏安曲线 (LSV)31
• 2.5.4 循环伏安曲线 (CV)31-32
• 2.5.5 恒压稳定性测试方法32
• 2.5.6 电化学阻抗32
• 2.5.7 TOF计算方法32-34
• 第3章 三维多孔道MoP催化剂的制备及其析氢性能研究34-50
• 3.1 引言34-35
• 3.2 三维多孔道MoP催化剂的制备35-36
• 3.3 三维多孔道MoP样品的物理表征及特性分析36-41
• 3.3.1 形貌表征结果及分析36-38
• 3.3.2 组分与元素分析38-41
• 3.4 三维多孔道MoP样品的电化学性能测试41-48
• 3.4.1 HER电催化活性测试41-45
• 3.4.2 HER稳定性测试45-47
• 3.4.3 HER电催化的产物分析47-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第4章 MoP半球/碳布复合材料的制备及其析氢性能研究50-64
• 4.1 引言50-51
• 4.2 磷化钼/碳布复合物催化剂的制备51
• 4.3 磷化钼/碳布复合物的物理表征及特性分析51-56
• 4.3.1 形貌表征结果及分析51-54
• 4.3.2 组分与元素分析54-56
• 4.4 磷化钼/碳布复合物的电化学性能测试56-62
• 4.4.1 酸性条件下HER电催化活性测试56-60
• 4.4.2 碱性条件下HER电催化活性测试60-62
• 4.5 本章小结62-64
• 结论64-66
• 参考文献66-78
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单78-79
• 致谢79

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本文编号：1123062