隨著全球化石能源消耗的逐漸增加,開發(fā)環(huán)境友好型的可持續(xù)能源引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。電解水技術(shù)是一種有效制備高純氫氣和高純氧氣的方法。然而,電解水反應(yīng)被復(fù)雜的析氫析氧動(dòng)力學(xué)過程所限制,這就需要高效的電催化劑來降低其過電位。目前,主要的高性能析氫電極材料和析氧電極材料分別為鉑基催化劑和釕/銥基催化劑,然而其有限的儲(chǔ)量和昂貴的價(jià)格極大地限制了全解水制氫和制氧的的大規(guī)模發(fā)展。因此,開發(fā)基于非貴金屬的高效穩(wěn)定的雙功能電解水催化劑對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)清潔能源技術(shù)來說具有特別重要的意義。Ni基金屬催化劑憑借著其來源豐富、穩(wěn)定性強(qiáng)、具有獨(dú)特的催化特性等優(yōu)勢(shì),備受科研工作者的青睞。本論文致力于通過雜原子修飾的方法改性Ni基金屬催化劑,對(duì)Ni基金屬催化劑材料的微觀形貌、物相組成和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效調(diào)控,改善Ni基金屬催化劑作為雙功能電解水催化劑的電催化性能,并結(jié)合DFT理論計(jì)算,為設(shè)計(jì)合成高效的雙功能電解水催化劑提供了理論和技術(shù)支持。本論文的主要內(nèi)容和結(jié)果如下:（1）本章節(jié)利用水熱生長(zhǎng)和氫氣還原相結(jié)合的方法,在泡沫鎳基底上原位生長(zhǎng)了硫原子修飾的Ni/Ni₃S₂納米片... 

【文章來源】：重慶大學(xué)重慶市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：83 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

氫能燃料電池原理和燃料電池汽車示意圖[14,15]

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文4操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，有著近百年的生產(chǎn)歷史。在電解水制氫過程中，電解池是其中重要的裝置，電解制氫生產(chǎn)過程都是在其中完成的，通過利用外加電壓的方法將水電解成純的氫氣和氧氣，可以減少對(duì)化石能源的消耗，并且電解過程中使用的電能主要來源于風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源，將太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生資源與電解水結(jié)合產(chǎn)生環(huán)境友好型的可再生能源，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的零排放[20,21]。理論上，電解產(chǎn)生1L氫氣需要消耗4.26Wh的電能(考慮能量損失)，大規(guī)模產(chǎn)氫成本還相對(duì)較高，開發(fā)高效廉價(jià)的雙功能電解水催化劑用來降低電解水成本，對(duì)于氫能的高效利用具有著重大的現(xiàn)實(shí)意義[22]。圖1.2電解水裝置示意圖[22]Fig.1.2Thediagramofanelectrolyzer1.3電解水產(chǎn)氫技術(shù)1.3.1電解水產(chǎn)氫的原理從圖1.2示意圖可以看出，電解槽裝置主要由三部分組成：電解液、陽(yáng)極、陰極。雙功能電解水催化劑可以同時(shí)作為作陽(yáng)極和陰極催化劑來催化電解水反應(yīng)，通過施加一定的外部電壓，陰極部分就會(huì)由于H+或H2O得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成H2，陽(yáng)極部分則會(huì)由于OH-失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成O2和H2O，根據(jù)使用的電解質(zhì)類型不同，發(fā)生在電解水過程中的兩個(gè)半反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)也有所區(qū)別。總反應(yīng)：H2O→H2+1/2O2在酸性介質(zhì)中：陰極發(fā)生2H++2e-→H2陽(yáng)極發(fā)生H2O→2H++1/2O2+2e-在酸性或堿性介質(zhì)中：

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文6直接結(jié)合而形成H2，該過程由Tafel斜率的大小決定。酸性溶液：2H++2e-→H2（總反應(yīng)）反應(yīng)步驟：H++e-+*→H*（Volmer）H++e-+H*→H2（Heyrovsky）或者：2H*→H2（Tafel）堿性溶液：2H2O+2e-→H2+2OH-（總反應(yīng)）反應(yīng)步驟：H2O+e-→H*+OH-（Volmer）H2O+e-+H*→H2+OH-（Heyrovsky）或者：2H*→H2（Tafel）Norskov等[28]人利用理論計(jì)算，總結(jié)歸納得到了一系列金屬的HER交換電流密度與氫吸附自由能(ΔGH*）之間的火山型關(guān)系圖。從圖1.3中可以看到，不同金屬所表現(xiàn)出的HER交換電流密度具有明顯差異，高HER活性的電催化劑對(duì)反應(yīng)中間體的結(jié)合能既不太強(qiáng)也不太弱，如Pt和Pt族金屬的ΔGH*接近為0，具有適中的氫吸附自由能，表現(xiàn)出最優(yōu)的析氫反應(yīng)活性。催化劑材料的性質(zhì)能直接影響并決定氫的吸附性能優(yōu)劣，從而造成了不同催化劑具有不同的HER活性。因此，開發(fā)具有適中氫吸附自由能的材料是設(shè)計(jì)高性能HER催化劑的關(guān)鍵。圖1.3HER交換電流密度與氫吸附自由能(ΔGH*）之間的火山型關(guān)系圖[28]Fig1.3VolcanoplotofHERexchangecurrentdensityasGibbsfreeofabsorbedhydrogen1.3.3析氧反應(yīng)及機(jī)理析氧反應(yīng)（OER），是H2O分子在陽(yáng)極上發(fā)生的氧化反應(yīng)。OER的機(jī)理與電極表面的構(gòu)造密切相關(guān)，不同電極材料的不同晶面會(huì)造成OER的機(jī)理有所區(qū)別，因?yàn)殡姌O材料的不同而展現(xiàn)出不同的機(jī)理表現(xiàn)，比HER的二電子轉(zhuǎn)移過程更為復(fù)雜[29]。在堿性介質(zhì)中，學(xué)術(shù)界公認(rèn)的OER總反應(yīng)路徑包含四個(gè)獨(dú)立的電子轉(zhuǎn)移過程[30]：

【參考文獻(xiàn)】：
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