幾種含鈷納米材料的制備及其電催化性能研究
發(fā)布時間：2021-06-27 17:59
電解水反應主要包含析氫反應（HER）和析氧反應（OER）兩個半反應。其中催化劑因有效降低反應能壘而受到廣泛關注。鈷基催化劑因具有儲量豐富、成本低廉、性能優(yōu)異等特點,被視為一種理想的非貴金屬催化劑。本文通過雜原子復合、引入導電基底等手段制備鈷基納米材料,進一步提高其電催化性能,同時系統地研究了所得材料的形貌、組成與電催化性能之間的構效關系。主要研究內容如下:（1）制備原位生長在不銹鋼（SLS）上的花狀硫化鈷納米材料（CoS@SLS）。不銹鋼基底含有能夠催化OER的活性元素,進一步提高CoS@SLS的電化學性能。CoS@SLS在電流密度為10 mA cm-2時的過電位為318 mV,并且在循環(huán)14 h后材料仍保持82%的催化活性。（2）通過電沉積法制備均勻生長在泡沫鎳（NF）上的片狀尖晶石型錳鈷氧化物（MnCo2O4）納米材料（MnCo2O4/NF）。由于鎳元素可以高效催化HER,選擇泡沫鎳作為HER催化劑的基底,比其它基底更為適宜。實驗通過控制錳鹽與鈷鹽的投料比,沉積電壓與沉積時...
【文章來源】：南京理工大學江蘇省 211工程院校
【文章頁數】：66 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
氫氣的來源與應用
?謎廡┠芰拷??腫臃紙?成H2和O2，即光解反應[15]。在光解水制氫的過程中，用來吸收太陽光的半導體材料起決定性因素。概括來說，當太陽光照射半導體時，一部分能量大于或等于半導體帶隙能量的光子撞擊到半導體表面，材料內部的電子受到激發(fā)從價帶躍遷到導帶，價帶中產生空穴，光生電子空穴對就出現了，然后在半導體的不同位置驅動著水分解的反應，將水還原成氫氣或氧化成氧氣[16]。1.2.3.3電解水制氫電解水制氫是一種有效的水分解制氫技術，由于電解水反應是吸熱反應，所以整個體系需要引入電能作為驅動能源。如圖1.2所示，電解水的基本裝置由電源、陽極、陰極和電解質組成，其中直流電源用于提供電子和維持電能循環(huán)[17]。在電解水的過程中，氫離子向陰極移動，氫氧根離子向陽極移動。電子從直流電源的負極流出，被陰極吸附的氫離子消耗從而形成氫氣。同時氫氧根離子(陰離子)在陽極的表面與電解質溶液反應，并釋放電子。電子通過陽極的傳遞回到直流電源的正極，保持電荷的平衡。由于裝置中包含隔膜和氣體接收器，可以分別從陰極和陽極收集電解水過程中產生的氫氣和氧氣。在實際研究中，電解質通常是由離子組成，一般使用的是氫氧化鉀溶液，既可以提高電導率，又可以避免酸性電解液對電極的腐蝕損壞。圖1.2電解水系統的簡易裝置圖到目前為止，已經開發(fā)和使用的電解裝置有質子交換膜、堿性和固體氧化物電解池。在質子交換膜電解池中，水中的氫離子(H+)穿過交換膜后在陰極發(fā)生反應生成H2，電解池中保留水和氧氣。在堿性和固體氧化物電解池中，水在陰極發(fā)生反應產生H2，剩余的氫氧根離子(OH-)通過電解質的傳遞到達陽極，在陽極表面發(fā)生反應生成O2。整個體系的化學反應方程式[18]可以寫為：質子交換膜電解池：陽極：2H2O→O2+4H++
碩士學位論文幾種含鈷納米材料的制備及其電催化性能研究5堿性和固體氧化物電解池：陽極：4OH-→O2+2H2O+4e-陰極：2H2O+2e-→2OH-+H2相比于眾多的制氫技術，電解水制氫具有較好的發(fā)展前景。它具有實用性、靈活性和產物高純度等眾多優(yōu)點，有望通過工藝改進，提高能效，降低安裝和操作成本等手段實現工業(yè)大規(guī)模產氫這一目標。1.3電解水制氫的基礎知識早在1789年，JanRudolphDeiman和AdriaanPaetsvanTroostwijk就發(fā)現電能夠分解水。1888年，DmitryLachinov又研發(fā)了一種可以在工業(yè)上應用電解水制取氫氣和氧氣的工藝方法[19]。隨著幾百年來廣泛而深入的科學研究，電解水制氫的理論基礎也不斷地完善。如圖1.3所示，電解水制氫主要由兩個半反應組成[20-21]:陰極表面發(fā)生的析氫反應(HER)和陽極表面發(fā)生的析氧反應(OER)。圖1.3電解水制氫裝置中的HER和OER示意圖1.3.1析氫反應一般認為HER反應的實質是二電子轉移過程，即系統經過兩個電子的轉移后在材料表面生成了一個H2分子的過程。圖1.4以金屬Pt為例，簡單描述了HER的反應路徑[22]。反應需要經歷兩個反應步驟：(1)第一步反應稱為Volmer反應，主要由放電反應引發(fā)，其實質是H+與電子反應生成H原子，并吸附在材料表面。反應方程式為：H+(aq)+e+*→H*其中星號*表示活性位點，H*表示與活性位點結合的一個氫原子。(2)第二步反應有兩種，第一種反應稱為Tafel反應，反應過程是材料表面吸附的氫原子相互結合在溶液中形成了H2。反應方程式為：H*+H*→H2(g)+2*第二種反應稱為Heyrovsky反應，即溶液中的電子與H+，材料表面吸附的氫原子相互結合，產生氫氣。反應方程式為：H*+H+(aq)+e→H2(g)+*
本文編號：3253331
【文章來源】：南京理工大學江蘇省 211工程院校
【文章頁數】：66 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
氫氣的來源與應用
?謎廡┠芰拷??腫臃紙?成H2和O2，即光解反應[15]。在光解水制氫的過程中，用來吸收太陽光的半導體材料起決定性因素。概括來說，當太陽光照射半導體時，一部分能量大于或等于半導體帶隙能量的光子撞擊到半導體表面，材料內部的電子受到激發(fā)從價帶躍遷到導帶，價帶中產生空穴，光生電子空穴對就出現了，然后在半導體的不同位置驅動著水分解的反應，將水還原成氫氣或氧化成氧氣[16]。1.2.3.3電解水制氫電解水制氫是一種有效的水分解制氫技術，由于電解水反應是吸熱反應，所以整個體系需要引入電能作為驅動能源。如圖1.2所示，電解水的基本裝置由電源、陽極、陰極和電解質組成，其中直流電源用于提供電子和維持電能循環(huán)[17]。在電解水的過程中，氫離子向陰極移動，氫氧根離子向陽極移動。電子從直流電源的負極流出，被陰極吸附的氫離子消耗從而形成氫氣。同時氫氧根離子(陰離子)在陽極的表面與電解質溶液反應，并釋放電子。電子通過陽極的傳遞回到直流電源的正極，保持電荷的平衡。由于裝置中包含隔膜和氣體接收器，可以分別從陰極和陽極收集電解水過程中產生的氫氣和氧氣。在實際研究中，電解質通常是由離子組成，一般使用的是氫氧化鉀溶液，既可以提高電導率，又可以避免酸性電解液對電極的腐蝕損壞。圖1.2電解水系統的簡易裝置圖到目前為止，已經開發(fā)和使用的電解裝置有質子交換膜、堿性和固體氧化物電解池。在質子交換膜電解池中，水中的氫離子(H+)穿過交換膜后在陰極發(fā)生反應生成H2，電解池中保留水和氧氣。在堿性和固體氧化物電解池中，水在陰極發(fā)生反應產生H2，剩余的氫氧根離子(OH-)通過電解質的傳遞到達陽極，在陽極表面發(fā)生反應生成O2。整個體系的化學反應方程式[18]可以寫為：質子交換膜電解池：陽極：2H2O→O2+4H++
碩士學位論文幾種含鈷納米材料的制備及其電催化性能研究5堿性和固體氧化物電解池：陽極：4OH-→O2+2H2O+4e-陰極：2H2O+2e-→2OH-+H2相比于眾多的制氫技術，電解水制氫具有較好的發(fā)展前景。它具有實用性、靈活性和產物高純度等眾多優(yōu)點，有望通過工藝改進，提高能效，降低安裝和操作成本等手段實現工業(yè)大規(guī)模產氫這一目標。1.3電解水制氫的基礎知識早在1789年，JanRudolphDeiman和AdriaanPaetsvanTroostwijk就發(fā)現電能夠分解水。1888年，DmitryLachinov又研發(fā)了一種可以在工業(yè)上應用電解水制取氫氣和氧氣的工藝方法[19]。隨著幾百年來廣泛而深入的科學研究，電解水制氫的理論基礎也不斷地完善。如圖1.3所示，電解水制氫主要由兩個半反應組成[20-21]:陰極表面發(fā)生的析氫反應(HER)和陽極表面發(fā)生的析氧反應(OER)。圖1.3電解水制氫裝置中的HER和OER示意圖1.3.1析氫反應一般認為HER反應的實質是二電子轉移過程，即系統經過兩個電子的轉移后在材料表面生成了一個H2分子的過程。圖1.4以金屬Pt為例，簡單描述了HER的反應路徑[22]。反應需要經歷兩個反應步驟：(1)第一步反應稱為Volmer反應，主要由放電反應引發(fā)，其實質是H+與電子反應生成H原子，并吸附在材料表面。反應方程式為：H+(aq)+e+*→H*其中星號*表示活性位點，H*表示與活性位點結合的一個氫原子。(2)第二步反應有兩種，第一種反應稱為Tafel反應，反應過程是材料表面吸附的氫原子相互結合在溶液中形成了H2。反應方程式為：H*+H*→H2(g)+2*第二種反應稱為Heyrovsky反應，即溶液中的電子與H+，材料表面吸附的氫原子相互結合，產生氫氣。反應方程式為：H*+H+(aq)+e→H2(g)+*
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