氫能兼具來源廣、燃燒熱值高、能量密度大、產(chǎn)物環(huán)保和零排放等優(yōu)點,被認為是一種理想且極具應用潛力的化石燃料替代品。發(fā)展氫能源最重要的就是開發(fā)高效低成本的制氫技術,在現(xiàn)有的主流制氫技術中,電解水制氫以制備條件溫和、生產(chǎn)方式靈活安全、制氫純度高等優(yōu)點,受到廣泛關注。而電極材料是電解水制氫技術中的核心問題,因此,設計開發(fā)高效、廉價和來源豐富的非貴金屬類催化材料成為氫能研究領域的重要課題。本文采用簡單的水熱-熱解法、微波等離子體法制備了一系列氮摻雜碳材料,并將其作為電極材料,研究了其電化學析氫性能。主要內(nèi)容如下:首先采用二茂鐵和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為原料,通過簡單可控的水熱法制備氧化鐵納米粒子均勻分散的聚合物凝膠,再在尿素的輔助下高溫熱解制備氮摻雜碳層包覆的碳化鐵（Fe₃C/N-doped carbon）納米粒子。著重探討了熱解溫度對合成的納米粒子的微觀結(jié)構(gòu)和電催化析氫性能的影響,以及氮源投入量對氮摻雜碳層的形成及對電催化析氫性能的影響。當熱解溫度為400℃時,產(chǎn)物僅含無定形碳的結(jié)構(gòu),無碳化鐵納米粒子形成,同時這種結(jié)構(gòu)因暴露出的活性位點有限,表現(xiàn)出較差的電化學析氫性能;... 

【文章來源】：西南科技大學四川省

【文章頁數(shù)】：61 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

電解水示意圖

西南科技大學碩士學位論文6圖1-2不同材料吉布斯自由能與交換電流密度的火山圖[19]目前，普遍研究認為電極材料表面與Hads相互作用時的吉布斯自由能決定了HER的反應速率。不同金屬催化HER性能的交換電流密度與吉布斯自由能之間的關系構(gòu)成火山圖模型，符合了Sabatier原理[19][20]，如圖1-2所示，催化材料的催化本質(zhì)由此揭開。如果催化材料表面對Hads的吸附作用力太強，吉布斯自由能較大且小于零。此時電化學吸附過程中很容易發(fā)生，但是Heyrovsky或Tafel涉及的Hads脫附過程就會受到抑制；相反，如果催化材料表面對Hads的吸附作用力太弱，吉布斯自由能較大且大于零，導致水合氫離子或者水分子的吸附過程受到阻礙，影響后續(xù)的電化學脫附過程，進而限制整個HER反應過程。因此，催化材料與Hads相互作用時的吉布斯自由能處于趨近于零的最優(yōu)值時，交換電流密度值最大，擁有最佳的HER催化性能。如貴金屬鉑（Pt）擁有接近于零的吉布斯自由能，表現(xiàn)出最理想的催化性能，被認為是商業(yè)催化劑的代表。但其自然稀缺性及高昂的價格嚴重制約了Pt基催化劑在氫工業(yè)的商業(yè)應用。鑒于此，各國研究者們紛紛依托于納米科學與技術開發(fā)吉布斯自由能趨近于零的理想HER催化劑。1.4.2析氫反應評價參數(shù)為了評價給定催化材料的析氫活性，一些重要的活性評價參數(shù)需要仔細研究。比如過電位、電流密度、Tafel斜率、電化學活性面積以及穩(wěn)定性等。這些活性參數(shù)互相關聯(lián)，共同反映了催化劑的催化性能和反應動力學等信息，以下簡要介紹這些活性參數(shù)。（1）起始電位及過電位當電解反應發(fā)生時，具有明顯陰極電流響應時對應的外加電位稱之為起始電位。起始電位約定俗成的定義為電流密度達到0.5mAcm-2或1.0mAcm-2時對應的電位。

西南科技大學碩士學位論文8劑的常用元素組成，主要集中在貴金屬及其合金，非貴金屬以及無金屬材料（以碳材料為主）三大類[22]。而用于構(gòu)造HER電催化材料的金屬元素豐度分布如圖1-4所示[23]。雖然鉑基納米材料表現(xiàn)出可忽略的過電位被認為是商業(yè)HER催化劑的典型代表[24,25]，但Pt的豐度約為3.7*10-6%，比其他非貴金屬小幾個數(shù)量級，這決定了其高昂成本的事實。同時，這也是制約電解水制氫大規(guī)模發(fā)展的根本原因。因此，為了降低制氫成本的核心問題，調(diào)控和優(yōu)化貴金屬電子結(jié)構(gòu)、構(gòu)建廉價過渡金屬以及來源廣泛的非金屬基催化材料等技術途徑被廣泛研究。圖1-3用于電化學析氫催化劑的元素分布圖[22]圖1-4用于電化學析氫催化材料元素的地殼豐度圖[23]

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Cobalt and nitrogen codoped porous carbon as superior bifunctional electrocatalyst for oxygen reduction and hydrogen evolution reaction in alkaline medium[J]. Xiaoxia Chen,Xiangjun Zhen,Hongyu Gong,Le Li,Jianwei Xiao,Zhi Xu,Deyue Yan,Guyu Xiao,Ruizhi Yang.  Chinese Chemical Letters. 2019(03)
[2]石墨烯:單原子層二維碳晶體——2010年諾貝爾物理學獎簡介[J]. 朱宏偉.  自然雜志. 2010(06)

博士論文
[1]中國能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型及可再生能源消納路徑研究[D]. 柳逸月.蘭州大學 2017

碩士論文
[1]基于雙功能納米電催化劑的可充電鋅空氣電池儲能器件的設計與制備[D]. 曹志錢.安徽大學 2019
[2]鎳基電催化劑的制備及其析氧性能研究[D]. 王帥.西南科技大學 2019
[3]超納米金剛石/多層石墨烯復合薄膜的電化學應用研究[D]. 胡冬玲.西南科技大學 2019
[4]氧化鉬納米復合材料的制備、表征及其在電解水析氫中的應用研究[D]. 李玲.陜西師范大學 2018
[5]Mo2C（W2C）-碳納米管復合材料的制備及電催化析氫性能[D]. 姬敏.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[6]MOFs衍生納米催化劑的合成及其電解水性能的研究[D]. 王翔.蘭州大學 2018
[7]過渡金屬化合物/碳納米纖維復合材料的制備及其電化學催化析氫性能研究[D]. 周宇.東華大學 2017
[8]過渡金屬磷化物/碳基復合材料制備及其氫析出性能研究[D]. 沈娟霞.溫州大學 2016
[9]氮摻雜碳材料的制備及其電化學性能研究[D]. 馬行宇.中國石油大學(北京) 2016



本文編號：3213636