过渡金属磷化物纳米复合结构的制备及其电催化分解水性能的研究
发布时间：2021-01-17 08:32
现代社会的发展与进步离不开工业的发展,而支持现代工业的基石离不开煤炭石油等能源。传统的化石能源存储量有限,难以满足人们可持续发展的愿望,并且化石能源的大规模消耗带来了严重的环境污染和温室效应等问题。其中开发可再生清洁能源替代传统化石燃料实现可持续发展是目前最有效的方法,氢气是21世纪有前景的清洁能源。目前的研究结果显示,理想的电催化剂具有较高的反应活性,低的起始电位和高的电流密度,表明电解水过程较易发生,主要为贵金属及其氧化物（如Pt,Rh,Ir以及IrO2,RuO2）等。但是由于贵金属的存储量较低,昂贵的价格使其难以应用到实际生产中去,21世纪以来,二维材料因其独特的性质吸引了大量的关注,其中石墨烯是最早发现并研究的一类材料,由于其比表面积大,导电性好和稳定性高等优点,它已被广泛用于形成杂化体以支持磷化物,硫化物等。因此现阶段电解水的核心研究问题是开发价格低廉且兼具高活性的电化学催化剂,降低反应过程中的过电势,并提高化学稳定性。本文主要研究了过渡金属磷化物电催化剂材料的合成以及性能,具体内容如下:首先采用水热法,合成Ni（OH）2...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碱性条件下OER机制Figure1-1OERmechanismunderalkalineconditions
第1章绪论-5-的反应（即Tafel反应）或是吸附的H与电解质中的H+进行反应以形成H2分子（即Heyrovsky反应）。不论哪种反应途径，H的吸附是至关重要的步骤，因此电催化剂的一项至关重要的任务是促进吸附过程。Pt上的H的吸附自由能接近热中性状态(ΔGH*≈0)。这也是Pt也是被认为是最好的HER催化剂的原因。根据先前的研究，析氢反应（HER）的机理有以下两种解释，分别为Volmer-Heyrovsky反应和Volmer-Tafel反应,如表1-1所示。对于这两种方法，第一步都是Volmer反应（也定义为放电反应），其中电子还原吸附在电极活性位点上的质子，形成吸附的氢原子（Hads）。第二步有两种反应途径，一种是Heyrovsky反应，其中获得的H+与另外的质子和第二电子结合，形成H2，然后通过电化学解吸释放。另一个可能的过程是两个Had指导的Tafel反应，彼此反应形成H2。塔菲尔斜率可以用来确定反应发生的途径。例如，当放电反应（沃尔默反应）快时，Tafel斜率为2.3RT/2F将在Volmer-Tafel方法中观察到，H2的释放是决定组合反应的反应速率；而Tafel斜率为4.6RT/3F时，在Volmer-Heyrovsky反应中观察到，其中H2为由决定反应的速率的离子演化而来。当放电反应（沃尔默反应）的速率缓慢时，塔菲尔斜率由公式4.6RT/F（在25°C时等于116mVdec-1）确定，适用于Volmer-Tafel方法和Volmer-Heyrovsky方法。对于这两种方法，Volmer反应总是首先发生，因此催化反应可以通过增强通过增加表面活性位来吸附Hads。也可以通过增加H2的解吸步骤来增加电极/催化剂的比表面积。图1-2酸性和碱性溶液中HER反应过程示意图。Fig.1-2Rehabilitationtrainingprocess
燕山大学工学硕士学位论文-18-钵中充分研磨，转移至石英舟内，在400°C的N2中,以2°Cmin-1的升温速率加热180min，然后冷却至环境温度。用乙醇和蒸馏水洗涤三次，收集干燥的产物，得到Ni2P/rGO粉末用于进一步的表征和电化学性质测试。实验的流程如下图所示：图3-1Ni2P/rGO复合结构的合成及其电催化析氧过程Figure3-1SynthesisofNi2P/rGOcompositestructureanditselectrocatalyticoxygenevolutionprocess图片3-1反应了六边形β-Ni(OH)2前驱体的制备过程，经过后续的磷化形成了Ni2P/rGO纳米网络复合结构，并作为一种有效的催化剂参与电化学析氧反应。由于氧化石墨烯（GO）在水热反应过程中被还原，生成表面具有大量羧基、羟基、环氧基等基团的还原氧化石墨烯（rGO），因此反应物在原位生长过程中与还原氧化石墨烯形成了复合结构。电化学测试方法所有电化学测试均在三电极系统下完成，电解质为1M的KOH溶液。将Ag/AgCl用作参比电极，铂片用作对电极，工作电极使用已经处理完成的泡沫镍，使用CHI660型电化学工作站进行I-T和LSV测试。在测试过程中，对照可逆氢电极（RHE）对参比电极进行了校准。通过以下公式将施加的电势转换为可逆氢电极3.2.6
【参考文献】：
期刊论文
[1]电催化析氧反应过渡金属磷化物和硫化物催化剂研究进展（英文）[J]. 彭立山,SyedShoaib Ahmad Shah,魏子栋. 催化学报. 2018(10)
[2]n型Cu2O薄膜的简易水热法制备及其光电化学性能[J]. 熊良斌,李双明,李必慧,曾庆栋,王波云,聂长江. 无机化学学报. 2018(07)
本文编号：2982536
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碱性条件下OER机制Figure1-1OERmechanismunderalkalineconditions
第1章绪论-5-的反应（即Tafel反应）或是吸附的H与电解质中的H+进行反应以形成H2分子（即Heyrovsky反应）。不论哪种反应途径，H的吸附是至关重要的步骤，因此电催化剂的一项至关重要的任务是促进吸附过程。Pt上的H的吸附自由能接近热中性状态(ΔGH*≈0)。这也是Pt也是被认为是最好的HER催化剂的原因。根据先前的研究，析氢反应（HER）的机理有以下两种解释，分别为Volmer-Heyrovsky反应和Volmer-Tafel反应,如表1-1所示。对于这两种方法，第一步都是Volmer反应（也定义为放电反应），其中电子还原吸附在电极活性位点上的质子，形成吸附的氢原子（Hads）。第二步有两种反应途径，一种是Heyrovsky反应，其中获得的H+与另外的质子和第二电子结合，形成H2，然后通过电化学解吸释放。另一个可能的过程是两个Had指导的Tafel反应，彼此反应形成H2。塔菲尔斜率可以用来确定反应发生的途径。例如，当放电反应（沃尔默反应）快时，Tafel斜率为2.3RT/2F将在Volmer-Tafel方法中观察到，H2的释放是决定组合反应的反应速率；而Tafel斜率为4.6RT/3F时，在Volmer-Heyrovsky反应中观察到，其中H2为由决定反应的速率的离子演化而来。当放电反应（沃尔默反应）的速率缓慢时，塔菲尔斜率由公式4.6RT/F（在25°C时等于116mVdec-1）确定，适用于Volmer-Tafel方法和Volmer-Heyrovsky方法。对于这两种方法，Volmer反应总是首先发生，因此催化反应可以通过增强通过增加表面活性位来吸附Hads。也可以通过增加H2的解吸步骤来增加电极/催化剂的比表面积。图1-2酸性和碱性溶液中HER反应过程示意图。Fig.1-2Rehabilitationtrainingprocess
燕山大学工学硕士学位论文-18-钵中充分研磨，转移至石英舟内，在400°C的N2中,以2°Cmin-1的升温速率加热180min，然后冷却至环境温度。用乙醇和蒸馏水洗涤三次，收集干燥的产物，得到Ni2P/rGO粉末用于进一步的表征和电化学性质测试。实验的流程如下图所示：图3-1Ni2P/rGO复合结构的合成及其电催化析氧过程Figure3-1SynthesisofNi2P/rGOcompositestructureanditselectrocatalyticoxygenevolutionprocess图片3-1反应了六边形β-Ni(OH)2前驱体的制备过程，经过后续的磷化形成了Ni2P/rGO纳米网络复合结构，并作为一种有效的催化剂参与电化学析氧反应。由于氧化石墨烯（GO）在水热反应过程中被还原，生成表面具有大量羧基、羟基、环氧基等基团的还原氧化石墨烯（rGO），因此反应物在原位生长过程中与还原氧化石墨烯形成了复合结构。电化学测试方法所有电化学测试均在三电极系统下完成，电解质为1M的KOH溶液。将Ag/AgCl用作参比电极，铂片用作对电极，工作电极使用已经处理完成的泡沫镍，使用CHI660型电化学工作站进行I-T和LSV测试。在测试过程中，对照可逆氢电极（RHE）对参比电极进行了校准。通过以下公式将施加的电势转换为可逆氢电极3.2.6
【参考文献】：
期刊论文
[1]电催化析氧反应过渡金属磷化物和硫化物催化剂研究进展（英文）[J]. 彭立山,SyedShoaib Ahmad Shah,魏子栋. 催化学报. 2018(10)
[2]n型Cu2O薄膜的简易水热法制备及其光电化学性能[J]. 熊良斌,李双明,李必慧,曾庆栋,王波云,聂长江. 无机化学学报. 2018(07)
本文编号：2982536
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