當(dāng)前,能源短缺、環(huán)境污染以及溫室效應(yīng)等問題日益嚴(yán)峻,因此科學(xué)界掀起了一場研究氫能作為未來理想能源的浪潮。電解水制氫技術(shù),由于原料為水,廉價易得,且制備工藝簡單,有望成為綠色可持續(xù)產(chǎn)氫的主要方法。電解水制氫由于需要消耗大量的電能,因此需要使用催化劑來降低能耗。迄今為止,地球儲量較小的貴金屬Pt的電催化析氫性能最好,但價格昂貴,不利于大規(guī)模的開發(fā)應(yīng)用。過渡金屬硫?qū)倩衔镆云涞土膬r格和較好的電解水析氫性能受到了人們的廣泛關(guān)注。鎳因其儲量大,催化活性高,被認(rèn)為是最有前途的催化元素之一。硫?qū)倩衔镏?與硫化物和硒化物相比,碲化物表現(xiàn)出更多的金屬特性,更利于電催化中的電子轉(zhuǎn)移。又由于碲元素電負(fù)性較小,形成Te-H鍵的強(qiáng)度(238 kJ mol^-1)較同族元素較低,更有利于電解水析氫反應(yīng)中H原子的脫附。目前,提高材料電催化析氫性能的方法主要有增加活性位點(diǎn)數(shù)、提高材料導(dǎo)電率、優(yōu)化催化位點(diǎn)活性等。本論文制備了NiTe₂納米材料并利用摻雜、離子輻照及復(fù)合g-C₃N₄等手段對其進(jìn)行性能調(diào)控,通過對其電催化析氫性能的研究... 

【文章來源】：西北師范大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

電解槽裝置的示意圖[22]

第1章緒論4Heyrovsky反應(yīng)，電化學(xué)脫附：Hads+H++e-→H2(1-7)Tafel反應(yīng)，化學(xué)脫附：Hads+Hads→H2(1-8)在電解水析氫反應(yīng)過程中，首先發(fā)生Volmer反應(yīng)，在電解水催化劑的活性位點(diǎn)上電子與質(zhì)子被吸附，在電極表面反應(yīng)產(chǎn)生吸附的氫原子(Hads)。隨后進(jìn)行Heyrovsky反應(yīng)或Tafel反應(yīng)，或兩者同時進(jìn)行。無論進(jìn)行哪一條路徑，吸附的氫原子(Hads)始終參與HER過程，而吸附和脫附過程的快慢決定了電解水反應(yīng)的速率。標(biāo)準(zhǔn)狀況下(即反應(yīng)溫度為25℃，壓力為101.325kPa)，在任何電解質(zhì)中，促使水分解反應(yīng)的理論熱力學(xué)電壓為1.23V；但是在實(shí)際的操作中必須施加大于1.23V的電壓才能順利促使水分解。因此過電位(overpotential，η)的概念被提出，即為了克服陽極過電位(ηa)和陰極過電位(ηc)的內(nèi)在活化障礙，以及其他過電位(ηother)，包括溶液電阻和電極與溶液接觸電阻而超出理論熱力學(xué)電壓的電位。因此，水電解的實(shí)際操作電壓(EOP/V)可用下式表示：EOP=1.23+ηa+ηc+ηother(1-9)由上式可以看出，為了加速電解水大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，盡一切努力降低催化反應(yīng)中的過電位是關(guān)鍵問題。1.3過渡金屬析氫電催化劑的研究進(jìn)展圖1-2用于構(gòu)建HER電催化劑的元素[22]Fig.1-2ElementsthatareusedforconstructingHERelectrocatalysts圖1-2列舉了可以用作析氫反應(yīng)電催化劑的組成元素。根據(jù)其物理和化學(xué)性質(zhì),大致可分為三類:(i)貴金屬鉑(Pt)-最先進(jìn)的HER電催化劑;(ii)不含貴金屬的過渡金屬,主要包括鉬(Mo)，鎢(W)，鐵(Fe),鈷(Co),鎳(Ni),銅(Cu);(iii)不含貴金屬的非金屬,主要包括硼(B),碳(C),氮(N),磷(P),硫(S)和硒(Se)。研究者們已經(jīng)基于上述

第1章緒論6圖1-3（a,b）的TEM圖像，（c）SAED圖案和（d）CoP納米顆粒的HRTEM圖像，（e）CoP的MnP型晶體結(jié)構(gòu)的兩個視圖Fig.1-3(a,b)TEMimages,(c)SAEDpattern,and(d)HRTEMimageofCoPnanoparticles,(e)TwoviewsoftheMnP-typecrystalstructureofCoP1.3.2過渡金屬碳化物2012年，Hu研究組[37]首次觀察到碳化鉬，實(shí)際上是β-Mo2C無論在酸性還是堿性介質(zhì)中均表現(xiàn)出超高的HER活性和穩(wěn)定性。此外，Leonard研究組[38]合成了四種不同晶相的Mo-C(圖1-4)，包括α-MoC1-x，η-MoC，γ-MoC和β-Mo2C，并比較了它們在酸性溶液中的HER催化活性，發(fā)現(xiàn)四種不同晶相對HER的催化活性按α-MoC1-x＜η-MoC＜γ-MoC＜β-Mo2C的順序增加。受這些開創(chuàng)性研究的啟發(fā)，人們積極追求碳化鉬催化劑的精細(xì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因此Mo2C納米線[39]、3D有序多孔MoxC(x=1或2)[40]等被相繼研究，發(fā)現(xiàn)所得材料在酸性溶液中具有高電導(dǎo)率和較高的HER催化活性。據(jù)相關(guān)報道，二維的石墨烯以及三維的碳納米材料除了可以固定Mo2C納米團(tuán)簇，又可以為Mo2C的合成提供碳源，并且得到的Mo2C-納米碳復(fù)合材料具有超高的析氫性能。例如Sasaki研究組[41]以碳納米管為碳源，制備了Mo2C-碳納米管復(fù)合材料，顯示出較好的的電催化析氫活性和超強(qiáng)的穩(wěn)定性。此外，Mo2C-石墨烯和Mo2C-納米碳-納米管也被其他研究組合成[42,43]。在Mo2C-納米碳-納米管三元復(fù)合材料和碳納米管-石墨烯復(fù)合材料中，石墨烯和碳納米管可以有效抑制Mo2C晶體聚集、為電極材料與電解液提供較大的接觸面積、促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，進(jìn)而提高M(jìn)o2C的電催化析氫活性。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]水電解制氫非貴金屬催化劑的研究進(jìn)展[J]. 常進(jìn)法,肖瑤,羅兆艷,葛君杰,劉長鵬,邢巍.  物理化學(xué)學(xué)報. 2016(07)



本文編號：3391132