硫化钠电催化氧化振荡硫沉积机理分析与时空自组织

发布时间：2017-10-25 06:41

  本文关键词：硫化钠电催化氧化振荡硫沉积机理分析与时空自组织

  更多相关文章： 电催化氧化 振荡 硫沉积斑图 时空动力学 模型模拟

【摘要】：硫化钠电催化氧化过程存在复杂的时空动力学行为。本文采用电化学方法系统地研究了硫化钠在铂电极上的电催化氧化动力学过程并分析了其N-NDR区域振荡动力学机理。同时结合同步CCD图像传感器实时地监测电极表面硫沉积与溶解过程,观察到了丰富的硫沉积时空斑图,包括前沿波、硫沉积与溶解的协同化、螺旋波、脉冲波、协同与脉冲交替和共存结构以及过钝化区域的协同与硫沉积闪烁斑点交替结构等。硫化钠电催化氧化过程可表现出N-NDR和HN-NDR两种类型的振荡行为。在电流振荡过程中,电极表面单质硫的形成过程也相应地表现出周期性的沉积与溶解,而且不同的条件下硫沉积斑图结构有所不同。首先研究了物种浓度对振荡和硫沉积斑图的影响,发现硫离子作为引起振荡的负反馈物种,消耗电极表面的铂氧化物,其氧化产物单质硫能够占据活性位点抑制铂氧化物的形成。随着硫离子浓度的增大,在动力学曲线的正斜率区域体系由稳态逐渐演变为HN-NDR振荡,从而电极表面的硫沉积斑图由沉积前沿波向硫沉积与溶解的协同化转变;在电流-电势曲线负斜率区域,硫离子的传质限制步骤作为负反馈消耗铂氧化物,动力学特征由电流密度小幅波动逐渐转变为大幅振荡,而且振荡对应的电位范围、周期和振幅都随着硫离子浓度的增大而增大,斑图也相应地由局部脉冲波转变为整体硫沉积与溶解的协同化。相反,氢氧根离子直接参与铂电极表面铂氧化物的形成,作为引起振荡的正反馈物种促进体系NDR过程。在整个动力学曲线上,随着氢氧根离子浓度的增大,HN-NDR和N-NDR振荡都被抑制。HN-NDR振荡演变为稳态,而且硫离子的起始氧化电位负移;N-NDR振荡对应的电位区间、振幅和周期都减小。N-NDR振荡区域中斑图由硫沉积与溶解的协同化转变为局部脉冲波,而且脉冲波的波壁宽度随着氢氧根离子浓度的增大而减小。氯离子作为金属电极强吸附物种在硫化钠电化学体系中引入了另一NDR过程。在正斜率区域促进了HN-NDR振荡,导致电极表面的硫沉积斑图由沉积前沿波转变为协同化现象;在负斜率区域的N-NDR振荡,随着氯离子浓度的增大,振幅增大、电位正向移动,在该振荡区域中的脉冲波波壁宽度减小。而且由于氯离子在体系中引入另一个正反馈过程,因此在多反馈耦合的作用下,体系表现出不同时间尺度振荡的共存现象,从而在电极表面形成了大波长协同化和小波长脉冲波的共存结构。其次,研究了外加电阻对振荡和硫沉积斑图的影响,发现在硫化钠电催化氧化过程中外加串联电阻一方面能够促进体系正斜率区域的HN-NDR振荡,另一方面抑制了负斜率区的N-NDR振荡,使其逐渐衰减直至达到稳态。同时由于外阻的作用,体系中能够同时存在多个HN-NDR和N-NDR振荡,两种动力学行为的相互耦合导致了复杂振荡和局部脉冲与整体协同化交替斑图的产生。在过钝化区域的HN-NDR振荡,更高价态的铂氧化物以及析出的氧气可能直接参与硫离子的氧化过程,引起多反馈耦合的复杂时空结构。最后,在实验的基础上,提出了硫化钠电催化氧化动力学机理模型。电极电势的自催化过程促进铂氧化物的形成而引起体系动力学负微分阻抗,即双电层电势正反馈;氢氧根离子和硫离子分别作为正负反馈物种促进和抑制铂氧化物的形成,单质硫的吸附和硫离子的极限扩散作为两种振荡反应的负反馈过程。正负反馈的耦合作用使得体系表现出HN-NDR和N-NDR两种类型的振荡。根据该反应机理,结合电化学回路的电流平衡、物种平衡和硫吸附的电势平衡建立了一个三变量模型,并且对该三变量模型进行无量纲化,定性地模拟和解释了硫离子、氢氧根离子和外加电阻对体系动力学的影响,并得到了与实验结果类似的硫沉积斑图,证明了机理的合理性。
【关键词】：电催化氧化 振荡 硫沉积斑图 时空动力学 模型模拟
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O646.542
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-10
• Extended Abstract10-22
• 变量注释表22-23
• 1 绪论23-49
• 1.1 电极过程动力学23-30
• 1.2 电化学非线性动力学30-45
• 1.3 硫化物电催化氧化动力学研究进展45-47
• 1.4 研究意义与目标47-49
• 2 实验部分49-53
• 2.1 仪器与药品49-50
• 2.2 实验准备和电极处理50-53
• 3 硫化钠电催化氧化时空动力学的物种效应53-80
• 3.1 硫化钠电催化氧化动力学行为53-57
• 3.2 硫化钠作用与动力学本质57-64
• 3.3 氢氧根离子作用与动力学本质64-69
• 3.4 氯离子作用与动力学本质69-78
• 3.5 小结78-80
• 4 硫化钠电催化氧化时空动力学的外阻效应80-87
• 4.1 外加电阻对振荡反馈环的影响80-84
• 4.2 时空动力学的外阻效应84-86
• 4.3 小结86-87
• 5 硫化钠电催化氧化在过钝化区域的复杂振荡与斑图87-90
• 6 机理分析和模型模拟90-106
• 6.1 机理分析90-93
• 6.2 模型的建立与数值模拟93-104
• 6.3 小结104-106
• 7 结论与展望106-110
• 7.1 结论106-107
• 7.2 展望107-110
• 参考文献110-124
• 作者简历124-127
• 学位论文数据集127

，

本文编号：1092549