能源危機(jī)和環(huán)境問題是21世紀(jì)最受關(guān)注的問題之一,能源短缺和日益加劇的環(huán)境問題使得尋找可再生能源和清潔能源的技術(shù)的課題成為研究熱點(diǎn)。氫氣是一種清潔的、能量高的可再生能源,電化學(xué)分解水技術(shù)是一種有發(fā)展前景的制氫技術(shù),它包括析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）兩個(gè)半反應(yīng)。為了加快整體水電解的速率,電催化劑的使用必不可少,因此開發(fā)高效、廉價(jià)、環(huán)境友好的水分解反應(yīng)催化劑十分必要。由于過渡金屬及其化合物具有地球儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低和導(dǎo)電性高等一系列優(yōu)點(diǎn),成為具有應(yīng)用潛力的一類電化學(xué)催化劑。為了提高材料的電催化活性,本論文以三維多孔結(jié)構(gòu)的鎳泡沫（NF）材料為基底,以過渡金屬V、Fe、Co、Ni為原料,制備了三種用于析氫和析氧反應(yīng)的全水電解催化劑,具體工作如下:一.以V、Fe為金屬中心的金屬有機(jī)骨架材料（MOFs）為前驅(qū)體,經(jīng)過低溫磷化制備了鐵摻雜的磷化釩電催化劑。利用MOFs結(jié)構(gòu)可控、比表面積大、孔徑可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),通過調(diào)節(jié)兩種金屬的比例來實(shí)現(xiàn)對最終磷化物材料的比表面積、化學(xué)組成的調(diào)控,從而達(dá)到優(yōu)化催化性能的目的。同時(shí),產(chǎn)生的過渡金屬磷化物可以提高材料的導(dǎo)電性,有利于HER和OER反應(yīng)的進(jìn)行。二.利用水熱... 

【文章來源】：長春理工大學(xué)吉林省

【文章頁數(shù)】：87 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

可再生氫能源的制備方法[29]

第1章緒論3圖1.2全水電解結(jié)構(gòu)示意圖1.2.1析氫反應(yīng)機(jī)理電催化析氫反應(yīng)(Hydrogenevolutionreaction，HER)本質(zhì)上是一個(gè)在電極/電解質(zhì)界面處發(fā)生的還原反應(yīng)的電化學(xué)過程。根據(jù)電解質(zhì)的pH值的不同，通過還原質(zhì)子(H+)或H2O兩種反應(yīng)途徑產(chǎn)生H2，兩者都包括一系列分步反應(yīng)。Tafel斜率是過電位與電流密度的對數(shù)值在線性區(qū)域的斜率，它可以通過繪制相應(yīng)的LSV曲線來計(jì)算得到。通常，闡明不同HER電催化劑的確切工作機(jī)理是很困難的的一項(xiàng)工作。然而，Tafel斜率通�？梢宰鳛樗俾蚀_定步驟的參考數(shù)值，并且可以對可能的反應(yīng)途徑提供一些解釋。理論上來講Tafel斜率分為三種[34-36]：Volmerstep(~120mVdec-1)、Heyrovskystep(40~120mVdec-1)、Tafelstep(~30mVdec-1)。HER在酸性、堿性電解質(zhì)中的反應(yīng)機(jī)理如下[37,38]：Volmer步驟(酸性條件):+→(1-5)Volmer步驟(堿性條件):+→+(1-6)Volmer-Tafel:+→(1-7)Volmer-Heyrovsky:++→(1-8)從方程中看到，電極表面的氫吸附和解吸是HER電催化的兩個(gè)連續(xù)步驟。然而，兩個(gè)過程在本質(zhì)上是有競爭的:如果催化劑與氫原子結(jié)合強(qiáng)度太弱則不能有效地吸附中間反應(yīng)物，而結(jié)合強(qiáng)度太強(qiáng)的催化劑將不利于產(chǎn)物的釋放。因此，理想的HER電催化劑應(yīng)該具有良好平衡的氫結(jié)合強(qiáng)度和氣體釋放能力。根據(jù)Sabatier原理，HER的動(dòng)力學(xué)速率在很大程度上取決于催化劑與H*之間的相互作用強(qiáng)度。[39,40]通過繪制不

第1章緒論4同催化劑H表面吸附能與交換電流密度形成的反應(yīng)速率曲線，S.Trasatti為HER反應(yīng)機(jī)理構(gòu)建了第一條火山型曲線，發(fā)現(xiàn)Pt處于火山型曲線的頂點(diǎn)。[31,41]。在2004年，Nrskov’s小組收集了各種金屬的HER交換電流密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用密度泛函理論(DFT)計(jì)算了氫在不同過渡金屬上的吸附自由能，并給出了第一個(gè)現(xiàn)代火山圖，如圖1.3所示。[42]結(jié)果完美地闡明了HER的反應(yīng)機(jī)理，并提供了直觀的描述，揭示了HER的活性與氫結(jié)合能的關(guān)系。對于HER反應(yīng)，相比于酸性電解液，在堿性電解液中產(chǎn)生質(zhì)子(H+)需要更多的能量，所以大多數(shù)催化劑在堿性電解質(zhì)中具有更緩慢的HER反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。然而，酸性電解質(zhì)具有強(qiáng)腐蝕性，對大多數(shù)電極具有腐蝕作用，不利于催化劑的穩(wěn)定性，所以在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，更多的利用堿性溶液作為HER反應(yīng)的電解液。圖1.3H表面吸附的吉布斯自由能與交換電流密度的火山型曲線[42]1.2.2析氧反應(yīng)機(jī)理電化學(xué)析氧反應(yīng)(Oxygenevolutionreaction，OER)是電解水的關(guān)鍵步驟，由于OER是全水電解反應(yīng)的決速步驟，所以其機(jī)理被研究者所關(guān)注，以求制備性能更加優(yōu)異的電催化劑。在酸性和堿性條件下，一般認(rèn)為OER反應(yīng)機(jī)理分別如下：[43,44]酸性條件總反應(yīng)：2→4+4+(1-9)各步反應(yīng)：+++(1-10)++(1-11)+++(1-12)+++(1-13)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]功能鉬鈷基納米材料的制備及其在電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[D]. 朱曉青.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2019
[2]非貴金屬電催化劑的合成及其性能研究[D]. 張顯.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2018

碩士論文
[1]鈷基過渡雙金屬電化學(xué)析氧催化劑的合成及性能研究[D]. 蔡福仙.閩南師范大學(xué) 2018
[2]高效水解離催化劑的制備及其析氫性能與機(jī)理研究[D]. 吳宜尚.中南林業(yè)科技大學(xué) 2018
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本文編號：3444866