電解水制氫被公認為是制備新能源的環(huán)境友好型電化學儲能方法。人們常通過研究所制備材料的析氧反應或析氫反應電化學性能尋求合適的催化劑。理想的電解水制氫催化劑應滿足電催化活性高、穩(wěn)定性高、造價低、原料來源廣泛等要求。盡管Pt催化劑在電解水制氫催化劑中活性最高,IrO_2或RuO_2具備最優(yōu)的電化學析氧性能。但由于造價昂貴、原料稀少等原因,其并不是理想的電解水制氫催化劑。因此,研究者們致力研究廉價高效、穩(wěn)定性好的電解水制氫催化劑。如過渡金屬磷化物和氫氧化物。研究表明,過渡金屬磷化物具備高效析氫活性與P元素的作用有關。P元素的存在提高了催化劑對電子的吸引力,在析氫反應時吸引更多的H~+,加快反應速率。過渡金屬氫氧化物存在的自活化特點使得其在復雜的析氧反應中具備快速的析氧反應動力學。本論文通過簡單的方法制備出廉價高效的過渡金屬磷化物及氫氧化物并用于電解水性能研究。具體分為以下三方面:1.以泡沫鎳(NF)為基底,通過簡單的水熱方法和低溫磷化方法,制備出了廉價且具備良好電催化析氫性能的氮摻雜的碳包裹的磷化鈷鎳(Co_xNi_yP@NC/NF)復合材料。碳材料的引入使Co_xNi_yP具有較高的分散性,并增大了其活性面積。在測試過程中,由于碳材料的支撐作用,Co_xNi_yP不易發(fā)生團聚現(xiàn)象,經長時間穩(wěn)定性測試后仍保持較高催化析氫活性。研究結果表明,我們制備的催化劑具有媲美鉑片電極的催化析氫活性,當電流密度為-10 mA cm~(-2)時,其析氫過電位為70 mV,-100 m A cm~(-2)的電流密度對應的析氫過電位只有161mV,催化劑在長達35 h的穩(wěn)定性測試過程中,催化析氫活性基本不變。此外,我們還發(fā)現(xiàn)適量的鈷摻雜可使電極材料的氫結合自由能達到最優(yōu)值,并有效提高催化劑的催化析氫活性。2.鑒于目前實驗室制備的電解水電極材料存在造價高昂或析氧催化活性不高等缺點,我們以酸處理后的鍍鋅鐵板(EGSI)為基底,研究不同反應物對EGSI的影響、通過簡單的水熱法電化學氧化法制備出的不同鐵鎳元素比的Fe_xNi_yOOH/EGSI的電催化析氫、析氧性能。研究結果表明,不同反應物對EGSI的刻蝕作用不同,其中以尿素的作用最大。通過一系列的表征研究了電極材料的形貌、形成過程及反應機理,我們發(fā)現(xiàn),該催化劑在電化學測試過程中會自活化,鐵摻雜能有效調控催化劑的結構并提高催化劑的催化活性,電流密度為10 mA cm~(-2)時,催化劑的析氫過電位為228 mV、析氧過電位僅為237 mV,300 mA cm~(-2)的電流密度對應的析氫過電位只有361 mV,而該催化劑的析氧過電位為344 mV時,電流密度能達到600 mA cm~(-2)。進行電解水測試時,材料在堿性條件下展現(xiàn)出了良好的電解水性能,在1.69 V的電位下達到10 mA cm~(-2)的電流密度,該催化劑的成功制備為合成理想的電解水催化劑提供了扎實有效的思路。3.前一個工作制備的Fe_xNi_yOOH/EGSI呈現(xiàn)出良好的催化性能及穩(wěn)定性,但由于EGSI表面積相對較小,限制了Fe_xNi_yOOH的負載量以及與溶液的接觸面積,并在一定程度上限制了催化活性。因此我們改用SUS 304型不銹鋼網(wǎng)(SS)為基底,利用HCl和Fe~(3+)刻蝕SS,得到多孔基底材料(命名為ESS)。然后利用簡單快速的電化學氧化法將水熱反應制備出的Fe_xNi_yOH/SS轉變成具備較高表面積和催化活性的Fe_xNi_yOOH/ESS電極材料。研究表明,Fe_xNi_yOH在測試過程中會自活化,生成不同于上一個工作的Fe_xNi_yOOH,測試結果表明,電流密度為10 mA cm~(-2)時,催化劑的析氫過電位為172 mV、析氧過電位僅為208 mV,300 mA cm~(-2)的電流密度對應的析氫過電位只有258 mV,當電流密度為600 mA cm~(-2)時,該催化劑的析氧過電位僅為308 mV時,在長達136 h的穩(wěn)定性測試過程中,其催化析氧活性基本不變,進行電解水測試時,該材料在堿性條件下呈現(xiàn)出了良好的電解水性能,在1.58 V的電位下達到10 m A cm~(-2)的電流密度,在高電流密度下呈現(xiàn)出更高的電催化活性以及優(yōu)越的穩(wěn)定性。這對于制備廉價高效穩(wěn)定性好的電解水制氫催化劑具有重要意義。
【學位單位】：江西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;TQ116.21
【部分圖文】：

電解水制氫示意圖

堿性電解槽原理示意圖

圖 1-4 不同結構的電解槽。（a）單極式。（b）雙極式。目前，堿性電解槽工藝中，并聯(lián)模式的單極式電極槽和串聯(lián)模式的雙極式電極槽是使用范圍最廣的堿性電解槽（結構如圖 1-4 所示）。相較于單極式電解槽，雙極式電解槽的結構更加復雜、制作成本也更加高。但由于其緊湊的結構可減少
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本文編號：2861431