自支撑过渡金属催化剂在尿素/肼辅助电解产氢中应用

发布时间：2021-01-18 03:10

　　随着能源危机和环境污染问题加剧,开发新型的清洁能源技术已经成为当前的研究热点。氢气被视为一种有前景的能源,由于它的高燃烧值还有燃烧产物无污染。电催化水分解是一种高效且可持续的产氢手段。阴极的析氢反应（HER）和阳极的析氧反应（OER）是电解水过程中两个重要的半反应。贵金属Pt等作为最优异的析氢催化剂已经被人们所熟知,但是它的低储量高成本而且差的稳定性严重限制了它的大规模应用。因此,开发高效非贵金属基催化剂成为了比较有前景的方式。受4电子转移过程的限制,迟滞的OER是限制高效水分解的另一个短板。用尿素和肼氧化反应（UOR,HzOR）来代替OER是一种有效降低水分解槽电压的手段。本文从合理的成分设计和结构构建,设计出多种层级结构的非贵金属基自支撑电极材料,并研究了它们的结构形貌,电化学性能以及太阳能驱动不间断电解产氢实验。（1）利用铁氰化钾刻蚀技术制备层级结构的NiCoFeP自支撑电极。该方案有利于金属有机框架均匀分散在一级结构表面,有效避免了团聚。引进的多孔金属有机框架构建的层级结构显著地增加了电极的活性位点。该电极展示出优异的全pH值析氢性能:在10 mA cm-2的电流密度下的过电势... 

【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：142 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

酸性介质中金属电极上的HER的火山曲线。交换电流密度j0的对数与每个金属表面的M-H键能作图[26]。

图1.3中火山曲线显示了第一行过渡金属氧化物的析氧活性与其在酸性或者碱性条件下的转变焓的关系[26]。可以看出,贵金属RuO2和IrO2由于他们低的氧化还原电势和好的电导性展示出优异的析氧活性。但是他们昂贵的价格和有限的析氢活性使他们不适合作为双功能催化剂应用于大规模水裂解。相反,便宜且高活性的过渡金属催化剂更适合于全水分解。1.3 可替代的阳极反应

2014年,Vizza和同事通过在三维纳米结构TiO2纳米管阵列(Pd/TNTA-wed)上沉积Pd纳米颗粒作为阳极,证明了用乙醇氧化取代OER来实现更低电位产氢的可行性[56]。Pd/TNTA-wed电极是采用钛纤维网经阳极化和退火处理后紧接着通过浸渍化学还原过程制备Pd纳米粒子的方法制备的(图1.4a)。在质子交换膜式电解槽中,采用了Pd/TNTA-wed电极作为阳极,配有阴离子交换膜,阴极为Pt/C在碳布上(Pt/C/CC)。如图1.4b所示,乙醇在25℃时的氧化动力学缓慢,但在80℃时,在0.9 V的槽电位下,可以得到1.95 A cm-2的高电流密度,这主要是由于乙醇电氧化的动力学随着温度的升高而增强。在选择其他生物衍生醇,如甘油、乙二醇和1,2-丙二醇作为阳极化学物质时,Pd/TNTA阳极也表现出了良好的活性和高输出电流密度(图1.4c-e)。此外,这样的系统可以达到H2的高生产水平,与性能最佳的传统水PEM电解槽一样高,同时也节约能源。1.3.2 醛氧化反应


本文编号：2984152