【摘要】：近年來,由煤、石油等化石燃料過度燃燒帶來的環(huán)境污染和資源短缺等問題引起人們對(duì)清潔、可再生能源的重視,其中電解水制氫作為制備清潔能源的一個(gè)綠色途徑,值得人們對(duì)此深入研究。對(duì)于電解水制氫技術(shù),考慮到實(shí)際生產(chǎn)中的低成本原則,需要尋找價(jià)格低廉的過渡金屬來取代貴金屬用于電催化劑的研究中。根據(jù)以往的報(bào)道,過渡金屬磷化物具有特殊的能帶結(jié)構(gòu),在研究中表現(xiàn)出良好的電催化活性和電化學(xué)穩(wěn)定性,有望取代貴金屬催化劑。然而,二元磷化物的晶體結(jié)構(gòu)有限、性能可調(diào)節(jié)性差。研究表明,材料的組成元素之間存在著普遍的“協(xié)同效應(yīng)”,據(jù)此,構(gòu)筑三元過渡金屬磷化物將是提高材料電催化性能的有效思路。本研究選擇具有相同晶體結(jié)構(gòu)的二元磷化物來構(gòu)筑三元體系,主要的研究對(duì)象為Ni-Fe-P和Co-Fe-P兩種電催化劑材料,主要的研究?jī)?nèi)容如下:(1)通過水熱法和低溫磷化法分別在碳纖維氈(CF)和泡沫鎳(NF)上構(gòu)筑Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x電催化劑材料,在堿性條件下探究其電解水性能。通過三電極體系研究發(fā)現(xiàn),Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x的電催化析氫和析氧活性遠(yuǎn)高于NiFe-LDH前驅(qū)體,而以NF為基底的催化劑陣列的電催化活性優(yōu)于以CF為基底的催化劑陣列。前者得益于Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x良好的本征導(dǎo)電性,有利于電子在催化劑材料中的傳輸;后者則得益于催化劑與NF緊密的接觸性,有利于電子從基底到表面的傳輸。通過兩電極體系研究發(fā)現(xiàn),Ni_(1.5)Fe_(0.5)P_x@NF在全水解測(cè)試中表現(xiàn)出最佳的電催化性能,其產(chǎn)生10mA?cm~(-2)電流密度所需要的電壓僅為1.55 V,明顯優(yōu)于工業(yè)用的Pt@Ti||RuO_2/IrO_2@Ti電極對(duì)(1.62 V)。(2)通過水熱法和低溫磷化法在碳布(CC)上構(gòu)筑Co_xFe_(1-x)P@CC納米線陣列,在堿性條件下探究其電解水性能。在三電極測(cè)試體系中,通過幾何表面積、催化劑質(zhì)量和電化學(xué)表面積的歸一化研究,分別系統(tǒng)地探索了Co_xFe_(1-x)P@CC的電催化活性規(guī)律,發(fā)現(xiàn)當(dāng)Co與Fe的比例在1:1附近時(shí)析氫活性最佳(Co_(0.56)Fe_(0.44)P@CC),而在3:1時(shí)析氧活性最佳(Co_(0.79)Fe_(0.21)P@CC)。在兩電極測(cè)試體系中,Co和Fe共存的三元催化劑體系展示出顯著的“協(xié)同效應(yīng)”,其中,Co_(0.79)Fe_(0.21)P@CC納米陣列的性能最佳,在產(chǎn)生電流密度為10 mA?cm~(-2)所需要的電壓僅為1.60 V。
【圖文】：

第 1 章 緒論水制氫水制氫反應(yīng)原理所示，一個(gè)完整的電解槽由電解質(zhì)（即 H2O）、陰極電，為了加快水分解，通常需要在電極上涂覆一層催化劑半反應(yīng)組成，，即在陰極電極上發(fā)生水的還原反應(yīng)（析氫水的氧化反應(yīng)（析氧反應(yīng)）。當(dāng)施加電壓于外電路時(shí)，電子生成氫氣；在陽極上，氫氧根失去 4 個(gè)電子生成氧理論產(chǎn)量比為 2:1。根據(jù)不同的介質(zhì)中水的分解反應(yīng)，水學(xué)式表達(dá)[2]：

系統(tǒng)中如：Ea-Bf-Ec||Ea-Bf-Ec（Ea-Bf-Ec：地球上儲(chǔ)量豐富的雙功能性催化劑以進(jìn)一步降低成本，簡(jiǎn)化電解水系統(tǒng)[33-36]。由于在酸性介質(zhì)中，水分解需要、高效的不溶于酸的OER電催化劑，因此大量的OER電催化劑多用于堿性介[12]，目前在商業(yè)水電解槽中也使用堿性介質(zhì)[18]。 因此，在堿性介質(zhì)中開發(fā)高價(jià)的HER和OER雙功能電催化劑可以顯著提高整體水分解效率。目前，在堿性介質(zhì)中，國(guó)內(nèi)外關(guān)于電化學(xué)性能優(yōu)異的電催化劑已經(jīng)報(bào)道了[33-39]，其電化學(xué)性能媲美甚至超過商業(yè)電極對(duì) Pt/C||RuO2。不過相對(duì)于單純ER和OER催化劑，在堿性介質(zhì)中，關(guān)于水分解性能優(yōu)異的雙功能性電催化劑道還是很少。主要的研究集中在鈷基和鎳基材料上。.2.1 鈷基 HER 和 OER 雙功能電催化劑近年來，對(duì)非貴金屬雙功能性電催化劑元素研究最多的主要集中在Co、Ne、Mn、Cu等過渡金屬元素上，主要原因在于過渡金屬元素地球儲(chǔ)量豐富，價(jià)廉，合成方法簡(jiǎn)單，合成的催化劑性能優(yōu)異。其中，研究最早的是鈷基催化
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ116.2;O643.36

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7 賈s

本文編號(hào)：2675009