过渡金属基纳米结构电催化剂的设计、制备及其电解水应用

发布时间：2024-03-12 23:43

　　面对化石燃料的迅速枯竭和随之导致的环境污染等日益严峻的问题,发展清洁和可持续的替代能源迫在眉睫。氢能具有非常高的能量密度且燃烧产物无污染,是传统化石能源最为理想的替代品之一。在各种制氢途径中,工艺相对简单的电解水制氢技术被认为是当前最有实际应用前景的可再生能源转化技术之一。电解水技术能够大规模地制备高纯度的氢气,它涉及两个分别发生在阳极和阴极上的半反应,即氧气析出反应(OER)和氢气析出反应(HER)。目前,铂(Pt)及其化合物是性能最好的HER电催化剂,而贵金属氧化物(RuO₂/IrO₂)则是性能最好的OER电催化剂,然而,其高昂的价格和较低的储量却在很大程度上制约了其实际应用价值。因此,设计并制备高效、低成本且储量丰富的非贵金属基电解水电催化剂具有非常重要的现实意义。本论文从设计高效的非贵金属电催化剂和对催化剂进行结构及形貌的修饰与调控以提高催化剂的本征催化活性等角度出发设计了如下几种高效的电解水电催化剂:(1)通过可控的磷掺杂技术制备了负载在泡沫镍上的磷原子掺杂的Co₃O₄纳米线阵列(P-Co...

【文章页数】：135 页

【学位级别】：硕士

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摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 前言
    1.2 电解水基本原理
        1.2.1 氢气析出反应机理
        1.2.2 氧气析出反应机理
        1.2.3 电化学水分解
    1.3 电解水的关键电化学参数
        1.3.1 过电势
        1.3.2 塔菲尔斜率
        1.3.3 稳定性
        1.3.4 电化学活性面积
        1.3.5 转换频率
        1.3.6 法拉第效率
    1.4 电解水催化剂的研究进展
        1.4.1 过渡金属
        1.4.2 过渡金属氧化物
        1.4.3 过渡金属氢氧化物/羟基氧化物
        1.4.4 过渡金属硫族化合物
        1.4.5 过渡金属氮化物
        1.4.6 过渡金属磷化物
        1.4.7 过渡金属硼化物
        1.4.8 过渡金属碳化物
    1.5 电解水催化剂性能提升策略
        1.5.1 形貌设计和结构调控
        1.5.2 组分调控与异原子掺杂
        1.5.3 表界面效应
        1.5.4 缺陷调控
    1.6 本论文的研究意义和研究内容
第二章 实验方法
    2.1 实验试剂
    2.2 实验仪器
    2.3 材料形貌及结构表征
        2.3.1 X射线衍射仪
        2.3.2 扫描电子显微镜
        2.3.3 透射电子显微镜
        2.3.4 X射线光电子能谱仪
        2.3.5 拉曼光谱仪
        2.3.6 元素分析仪
        2.3.7 比表面积分析仪
        2.3.8 热重分析仪
        2.3.9 电子顺磁共振波谱仪
        2.3.10 同步辐射光源
    2.4 材料的电化学性能测试
        2.4.1 OER测试方法
        2.4.2 HER测试方法
        2.4.3 ORR测试方法
        2.4.4 交流阻抗测试
        2.4.5 双电层电容的测试
        2.4.6 转换频率的测试
        2.4.7 材料稳定性的测试
        2.4.8 材料法拉第效率测试
        2.4.9 锌空气电池性能的测试
第三章 磷原子掺杂的Co₃O₄纳米催化剂的制备及其电解水催化性能的研究
    3.1 引言
    3.2 P-Co₃O₄/NF材料的制备过程
    3.3 工作电极的制备和测试
    3.4 实验结果与讨论
    3.5 本章小结
第四章 富含缺陷的氮掺杂Co₃O₄/C多孔纳米立方体用作高效双功能氧气电催化剂
    4.1 引言
    4.2 N-Co₃O₄@NC材料的制备过程
    4.3 工作电极的制备和测试
    4.4 实验结果与讨论
    4.5 本章小结
第五章 NiTe₂纳米阵列的制备及其氧气析出反应催化性能的研究
    5.1 引言
    5.2 NiTe₂/TM材料的制备过程
    5.3 工作电极的制备和测试
    5.4 实验结果与讨论
    5.5 本章小结
第六章 原位生长在泡沫镍上的碲化镍纳米片阵列的制备及其氧气析出反应催化性能的研究
    6.1 引言
    6.2 NiTe/NF催化剂的制备过程
    6.3 工作电极的制备和测试
    6.4 实验结果与讨论
    6.5 本章小结
第七章 结论
参考文献
攻读学位期间的研究成果
致谢



本文编号：3926915