本文關(guān)鍵詞：家蠶絲碳化制備電催化材料及在催化析氫反應(yīng)中的應(yīng)用

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【摘要】：面對(duì)日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題,無(wú)數(shù)科研工作者正積極致力于尋找一種清潔可持續(xù)的能源。氫能具有可再生、產(chǎn)物無(wú)污染和儲(chǔ)能大等優(yōu)點(diǎn),被普遍認(rèn)為是最理想的化石燃料的替代者。目前,氫能的獲取方法主要有光解水、電解水和熱解水等,其中電解水由于其可以持續(xù)生產(chǎn)而被廣泛研究。高效的電解水制氫必然要求高效的催化劑,即要求催化劑在析氫反應(yīng)(HER)過(guò)程中具有優(yōu)異的電催化活性。眾所周知,鉑基催化劑是公認(rèn)最優(yōu)的電催化劑,但稀有性限制了其廣泛的應(yīng)用。因此,我們迫切去找尋一種可持續(xù)、低成本以及儲(chǔ)量豐富的析氫催化劑。迄今,許多非貴金屬電催化劑已被廣泛報(bào)道報(bào)道,例如過(guò)渡金屬硫?qū)倩�、過(guò)渡金屬硒化物和生物質(zhì)碳材料等。其中生物質(zhì)碳材料由于其可持續(xù)、綠色環(huán)保、比表面積大和雜原子多等特點(diǎn),而被認(rèn)為是一種很潛在的電催化劑載體。因此,本文選用家蠶蠶絲這一生物質(zhì)碳材料作為原料,利用活化劑活化和高溫碳化兩個(gè)過(guò)程制備碳化蠶絲纖維,將之作為電催化劑載體,負(fù)載金屬粒子得到電催化析氫催化材料,期望能展示出優(yōu)良催化析氫活性和穩(wěn)定性,降低催化劑金屬顆粒的使用量,全面研究分析評(píng)價(jià)催化材料的催化析氫活性。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:通過(guò)氯化鉀活化和高溫碳化制備得到多孔碳化蠶絲材料,借助掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和比表面及孔徑分析儀等表征其微觀結(jié)構(gòu),證明了其蜂窩狀和多孔的結(jié)構(gòu)。由此獲得多孔碳化蠶絲材料具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):1)選用家蠶蠶絲作為實(shí)驗(yàn)原料,來(lái)源廣,且富含氮元素;2)碳化蠶絲具有多孔和片狀結(jié)構(gòu),其比表面積大,氮元素分布均勻;3)整個(gè)制備過(guò)程沒有復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)步驟,所選用的活化劑易于去除。電催化析氫性能測(cè)試結(jié)果表明,碳化蠶絲作為電催化劑展示出了較高的電催化活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性,初始電位和塔菲爾斜率分別為-63 mV和131 mV dec-1,其電催化活性歸因于多孔碳化蠶絲纖維的高比表面積和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高氮含量,以及高石墨化程度所帶來(lái)的的高電子傳輸特性等優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步降低碳化蠶絲纖維材料的塔菲爾斜率,引入過(guò)渡金屬鈷元素,制備碳化蠶絲纖維負(fù)載鈷納米顆粒。研究發(fā)現(xiàn)形成的鈷納米顆粒均勻分布在碳化蠶絲表面,并且由碳化蠶絲包覆保護(hù)。電化學(xué)析氫測(cè)試表明,引入鈷納米顆粒之后,雜化材料的起始過(guò)電位僅為-55.55 mV,塔菲爾斜率顯著地降到了87.2 mV dec-1,說(shuō)明鈷納米顆粒的引入大大增加了反應(yīng)活性位點(diǎn),繼而在原有的基礎(chǔ)上顯著提升了電催化析氫活性。為了獲得最佳的電催化析氫性能,將鉑負(fù)載到碳化蠶絲纖維上,制備碳化蠶絲纖維負(fù)載鉑納米顆粒,將其作為電催化劑在酸性條件下測(cè)試電化學(xué)析氫性能,測(cè)試結(jié)果顯示,鉑納米顆粒均勻分布在碳化蠶絲表面,并且由碳化蠶絲包覆保護(hù),鉑的負(fù)載量?jī)H為0.6 wt%。盡管鉑的使用量如此微少,但是依然展示出優(yōu)異的電催化析氫性能,其起始電位為-38 mV,塔菲爾斜率為62.9 mV dec-1,十分接近商業(yè)鉑炭(鉑含量約為20 wt%)的析氫活性。
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O643.36;TQ116.2

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