碳基催化剂的表/界面调制、催化性能及同步辐射研究
发布时间：2020-12-09 21:41
当前,随着全球石油和其他化石能源的不断消耗,能源和环境问题日益成为人们需要解决的一个大问题。全世界的经济发展速度很快,人类对生活质量的要求愈来愈高。过度使用化石能源,不注重环保带来的温室效应、雾霾等问题成为人们关注的焦点。为了实现全人类文明的健康可持续发展,更好地应对能源与环境危机,开发高效率可持续的清洁能源十分迫切。在新型能源转换过程中,涉及到许许多多的催化反应,在这其中催化剂都扮演着十分重要的角色。在水的电解、氢气或醇类作为燃料的电池的领域,具有高活性的催化材料能够有效提高电化学元件能量转化效率,从而大大提高能源转化效率。在氢能源领域,开发合适的储氢材料,并将储氢材料中氢气高效释放出来,也是当前一大研究热点。目前,商用高活性的催化材料大部分是由贵金属制备得到,比如Pt、Ru、Ir等,但是这些材料储量比较低而且价格比较高,因此大规模的生产应用受到了制约。所以,开发和发展由非贵金属制成的催化材料有着举足轻重的意义。碳基材料由于具有独特的物理化学性质,一直被视作非贵金属基催化剂中极具竞争力的材料。事实上,碳与其他非贵金属形成复合材料时,由于碳材料比表面积通常情况下都很大（可提供更多活性位...
【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】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．丨未来绿色可持续的能源发展前景
ｓｓ??“：’气雩＾——雜．－譯??——Ｉ：??ｒ１?＾?（Ｐｈｏｔｏ）ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ??Ｓｏｌａｒ，?ｗｉｎｄ，?ｈｙｄｒｏ?，?＾?、??＾??ｍ?Ｉ??Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ?ａｎｄ?Ｃ０３?？＇＝?？?：??．Ｖ?．?Ｆｕｅｌ?ｃｅｉｌ??—－?置??，ｒ?Ｈｉ?ｓｔｏｒａｇｅ?＾??ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ－ｐｏｗｅｒｅｄ?ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ?Ｆｕｅｌ?ｓｔｏｒａｇｅ?Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??图１．２基于光或电化学过程的能源转化发展示意图［２］。??图１．２所示为基于光或电化学过程的可持续能源转化示意图，从图中我们可??以看出，氮、二氧化碳、水、氢、氧、氨这些小分子化合物在当前可持续能源转??化过程中是非常重要的一环。通过电解水我们可以获得氢气和氧气，这也是当前??情况下我们获得氢能源的主要手段，此外，电解水生成的氧气还可以用于可充电??燃料电池中。不仅如此，还可以通过将我们周围的大气中广泛存在的可再生小分??子（例如：氮气、二氧化碳等）通过水汽转化或其他方式进一步转变为具有更高??利用价值的化学产物（例如：氨气、一氧化碳、甲烷、高热值烯烃等）。上述诸??多能源转换方式以及能源转化所涉及的中间反应过程，都是当今社会科学家攻坚??２??
糖等）进行催化氧化或还原以解决能源、环境或人类健康问题。下文将对本??论文所涉及的几种催化反应做简单的介绍。??１．２．１电催化分解水反应??电催化分解水是当前转换多余电能为氢能的一种有效手段，在电力系统发电??量比较富余的时候，将多余的电量用于电解水产氢，并将产生的氢气储存起来，??这样一来，既可以发电系统功率不稳定的问题，又可以有效地解决人们对于氢能??源的需求。如前所述，氢气燃烧的热值很高并且产物为不会造成二次污染的水。??当前商用电解水装置一般用质子交换膜设备来电解水，如下图１．３所展示的那样??［３］，??ｒｈｈ??ＴＢ?Ｉｆ??Ｃａｔｈｏｄｅ：?■?Ａｎｏｄｖ：??＋??ｊＩＩＬ??■…■一?ｗ??Ｈ，０－？Ｈ，?＋?ＫＯ，??图１．３质子交换膜电解槽示意图。??质子交换膜电解槽（Ｐｒｏｔｏｎ?ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ，?ＰＥＭＥＬ）通常??由以下几部分组成：电解液（碱性、中性、酸性）；质子交换膜（只可传递质子，??不能够传递１＾和０２）；阴极和阳极催化剂层几个部分组成。质子交换膜电解槽??电解水时，阴极和阳极反应式分别为：??总反应：２／／２０－＞２／／２＋０２??阳极：２７／２〇４〇２＋４／Ｔ＋４ｅ－??阴极：４／Ｔ＋４ｅ－－＞２／／２??在不同的电解液条件下，阴极和阳极反应的机理都不尽相同：??酸性介质下，电解液中存在着大量的氢离子（Ｈ＋）：??Ｖｏｌｍｅｒ?过程为第一步：７／＋＋ｅ＿＋＊—??第二步反应为?Ｈｅｙｒｏｖｓｋｙ?过程：／／＊＋ｅ－＋／＾?－＞?／／２??或Ｔａｆｅｌ过程：２／／％４好２??酸性条件下的析氢反应过程总反应式为：２／／＋２６
【参考文献】：
期刊论文
[1]Pushing the activity of CO2 electroreduction by system engineering[J]. Hao Shen,Zhengxiang Gu,Gengfeng Zheng. Science Bulletin. 2019(24)
本文编号：2907520
【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】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．丨未来绿色可持续的能源发展前景
ｓｓ??“：’气雩＾——雜．－譯??——Ｉ：??ｒ１?＾?（Ｐｈｏｔｏ）ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ??Ｓｏｌａｒ，?ｗｉｎｄ，?ｈｙｄｒｏ?，?＾?、??＾??ｍ?Ｉ??Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ?ａｎｄ?Ｃ０３?？＇＝?？?：??．Ｖ?．?Ｆｕｅｌ?ｃｅｉｌ??—－?置??，ｒ?Ｈｉ?ｓｔｏｒａｇｅ?＾??ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ－ｐｏｗｅｒｅｄ?ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ?Ｆｕｅｌ?ｓｔｏｒａｇｅ?Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??图１．２基于光或电化学过程的能源转化发展示意图［２］。??图１．２所示为基于光或电化学过程的可持续能源转化示意图，从图中我们可??以看出，氮、二氧化碳、水、氢、氧、氨这些小分子化合物在当前可持续能源转??化过程中是非常重要的一环。通过电解水我们可以获得氢气和氧气，这也是当前??情况下我们获得氢能源的主要手段，此外，电解水生成的氧气还可以用于可充电??燃料电池中。不仅如此，还可以通过将我们周围的大气中广泛存在的可再生小分??子（例如：氮气、二氧化碳等）通过水汽转化或其他方式进一步转变为具有更高??利用价值的化学产物（例如：氨气、一氧化碳、甲烷、高热值烯烃等）。上述诸??多能源转换方式以及能源转化所涉及的中间反应过程，都是当今社会科学家攻坚??２??
糖等）进行催化氧化或还原以解决能源、环境或人类健康问题。下文将对本??论文所涉及的几种催化反应做简单的介绍。??１．２．１电催化分解水反应??电催化分解水是当前转换多余电能为氢能的一种有效手段，在电力系统发电??量比较富余的时候，将多余的电量用于电解水产氢，并将产生的氢气储存起来，??这样一来，既可以发电系统功率不稳定的问题，又可以有效地解决人们对于氢能??源的需求。如前所述，氢气燃烧的热值很高并且产物为不会造成二次污染的水。??当前商用电解水装置一般用质子交换膜设备来电解水，如下图１．３所展示的那样??［３］，??ｒｈｈ??ＴＢ?Ｉｆ??Ｃａｔｈｏｄｅ：?■?Ａｎｏｄｖ：??＋??ｊＩＩＬ??■…■一?ｗ??Ｈ，０－？Ｈ，?＋?ＫＯ，??图１．３质子交换膜电解槽示意图。??质子交换膜电解槽（Ｐｒｏｔｏｎ?ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ，?ＰＥＭＥＬ）通常??由以下几部分组成：电解液（碱性、中性、酸性）；质子交换膜（只可传递质子，??不能够传递１＾和０２）；阴极和阳极催化剂层几个部分组成。质子交换膜电解槽??电解水时，阴极和阳极反应式分别为：??总反应：２／／２０－＞２／／２＋０２??阳极：２７／２〇４〇２＋４／Ｔ＋４ｅ－??阴极：４／Ｔ＋４ｅ－－＞２／／２??在不同的电解液条件下，阴极和阳极反应的机理都不尽相同：??酸性介质下，电解液中存在着大量的氢离子（Ｈ＋）：??Ｖｏｌｍｅｒ?过程为第一步：７／＋＋ｅ＿＋＊—??第二步反应为?Ｈｅｙｒｏｖｓｋｙ?过程：／／＊＋ｅ－＋／＾?－＞?／／２??或Ｔａｆｅｌ过程：２／／％４好２??酸性条件下的析氢反应过程总反应式为：２／／＋２６
【参考文献】：
期刊论文
[1]Pushing the activity of CO2 electroreduction by system engineering[J]. Hao Shen,Zhengxiang Gu,Gengfeng Zheng. Science Bulletin. 2019(24)
本文编号：2907520
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