金属基能源电催化纳米材料制备及性能研究
发布时间：2020-11-22 07:06
电化学能源转换和存储是可持续新能源研究领域的核心技术,高性能催化剂的设计和构筑则是改善电化学能源转换效率的关键。金属基纳米材料的优异本征催化特性使其成为近年来电化学领域的研究热点。通过对金属基纳米材料合理设计,调控本征催化活性和活性位点数目以获得高性能电催化剂,可以大大推动燃料电池和电化学分解水等电化学技术的发展。本论文通过金属基纳米材料的结构调控、成分调控、电子态调控等可控制备方法,显著改善小分子醇氧化和分解水析氢等电催化反应性能。主要内容分为以下几个部分:(1)通过调节反应体系过饱和度,实现Au@Pd核壳纳米棒表面形貌由(111)面岛状结构向(100)面保形结构可控转变。测试表明,产物核壳纳米棒与电催化乙醇氧化性质间呈现明显“结构-性能”依赖关系;(2)通过一步溶剂热法制备成分可调“之”字形Pt-Zn合金纳米线。合金化配体效应诱导的应力、电子结构调控使d轨道中心远离费米能级,从而减弱催化剂对反应中间毒化物种的吸附强度,提升其对甲醇/乙醇氧化的活性和稳定性;(3)发展一种Zn2+诱导作用制备多枝状Pt基纳米材料的新方法,成功合成一系列Pt基纳米多枝合金,包括Pt-Zn、Ni、Co、Fe。多枝结构能暴露更多活性位点提升原子利用率,增强碱性电化学析氢性能;(4)利用空间限域策略制备一种金属磷化物异质结构。Co Mn P/无定形碳交联结构能提供更大活性面积,调控金属活性位点电子结构、优化中间物吸附能,其碱性电化学析氢性能可媲美商业Pt/C。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O643.36;TB383.1
【部分图文】：
建立环境友好型可持续能源循环体系是关系人类社会未来发展的重大议题[1-3]。过去几十年间全球能源需求呈爆炸式增长。据估算,到2100年全球能源消耗量将是现在的三倍,达到54太瓦左右[4]。具有高能量密度优势的煤炭、石油、天然气等化石燃料依然是当今工业化经济社会能量供应的首选,但这类不可再生资源的大量消耗不可避免地带来环境与健康问题[5]。比如,化石燃料燃烧引起大量温室气体(如二氧化碳)排放导致环境变化、空气污染、耕地退化和海洋酸化等问题,进而严重威胁人类未来发展[6]。此外,受卡诺循环制约,通过燃烧获得能量的能源利用率很低,大部分在20%以下,造成严重的资源浪费。近年来,以电化学技术为核心的能源转换与存储受到人们的广泛关注(图1.1),其研究的是电能与化学能之间的相互转换[1,7]。电催化反应可以利用大气中的水、二氧化碳、氮气等资源生产经济社会所需的氢气、碳基燃料、氨气等化工原料;反过来,这些电催化产物又可以转化成电能供人们使用,从而实现资源可持续发展。在这其中,通过燃料电池和电化学分解水实现可再生能源转换及存储,为开发新型可持续清洁能源及高效利用体系并解决当前环境污染和能源短缺等问题提供了有效手段[8-10]。1.1.1 燃料电池
与传统内燃机将燃料分子化学能通过燃烧转化成机械能做功不同,燃料电池(Fuel Cells,FCs)是一种将燃料分子的化学能通过电化学反应直接转换成电能的装置,被誉为改变未来世界的十大科技之一[11-13]。其中,燃料分子在阳极发生氧化反应,氧气作为氧化剂在阴极发生还原反应,共同组成燃烧总反应。由于燃料电池不受卡诺循环效应的制约,因此理论上可实现接近100%的能量转换效率[14]。高效的能量转换效率能有效减少燃料的使用量,利于节约资源和减轻对环境的污染。燃料电池还能实现“功率-容量”之间的任意缩放,可以轻松建设“大到兆瓦级,小到数瓦级”的电力供应装置。这些优点使燃料电池成为未来社会能量供给的潜在选择之一[15]。燃料电池主要由阴极、阳极和电解质三部分组成。根据所使用电解质膜材料差异,燃料电池大致可以分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸类燃料电池(PAFC)和固态氧化物燃料电池(SOFC)等[16],其工作原理大体相同。例如图1.2展示的是一种典型的PEMFC示意图,所发生电化学反应为:
该装置以氢气为阳极燃料,在氧化剂氧气的作用下,氢气在阳极发生氧化反应,生成氢质子穿过交换膜最终生成水,这一过程产生电流对装置做功用于发电。在PEMFC中,阳极和阴极的常用电极材料为Pt[17]。此外,以甲醇为燃料的DMFC,由于具有结构简单、工作温度低和燃料易存储等优势也受到广泛关注[12,13]。其阳极反应和总反应为:如图1.3所示,DMFC将氧气作为氧化剂,甲醇分子发生氧化反应,这一过程对装置做功产生电流[14]。在DMFC中,阳极电极材料常为PtRu[18]。
【参考文献】
本文编号：2894322
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O643.36;TB383.1
【部分图文】：
建立环境友好型可持续能源循环体系是关系人类社会未来发展的重大议题[1-3]。过去几十年间全球能源需求呈爆炸式增长。据估算,到2100年全球能源消耗量将是现在的三倍,达到54太瓦左右[4]。具有高能量密度优势的煤炭、石油、天然气等化石燃料依然是当今工业化经济社会能量供应的首选,但这类不可再生资源的大量消耗不可避免地带来环境与健康问题[5]。比如,化石燃料燃烧引起大量温室气体(如二氧化碳)排放导致环境变化、空气污染、耕地退化和海洋酸化等问题,进而严重威胁人类未来发展[6]。此外,受卡诺循环制约,通过燃烧获得能量的能源利用率很低,大部分在20%以下,造成严重的资源浪费。近年来,以电化学技术为核心的能源转换与存储受到人们的广泛关注(图1.1),其研究的是电能与化学能之间的相互转换[1,7]。电催化反应可以利用大气中的水、二氧化碳、氮气等资源生产经济社会所需的氢气、碳基燃料、氨气等化工原料;反过来,这些电催化产物又可以转化成电能供人们使用,从而实现资源可持续发展。在这其中,通过燃料电池和电化学分解水实现可再生能源转换及存储,为开发新型可持续清洁能源及高效利用体系并解决当前环境污染和能源短缺等问题提供了有效手段[8-10]。1.1.1 燃料电池
与传统内燃机将燃料分子化学能通过燃烧转化成机械能做功不同,燃料电池(Fuel Cells,FCs)是一种将燃料分子的化学能通过电化学反应直接转换成电能的装置,被誉为改变未来世界的十大科技之一[11-13]。其中,燃料分子在阳极发生氧化反应,氧气作为氧化剂在阴极发生还原反应,共同组成燃烧总反应。由于燃料电池不受卡诺循环效应的制约,因此理论上可实现接近100%的能量转换效率[14]。高效的能量转换效率能有效减少燃料的使用量,利于节约资源和减轻对环境的污染。燃料电池还能实现“功率-容量”之间的任意缩放,可以轻松建设“大到兆瓦级,小到数瓦级”的电力供应装置。这些优点使燃料电池成为未来社会能量供给的潜在选择之一[15]。燃料电池主要由阴极、阳极和电解质三部分组成。根据所使用电解质膜材料差异,燃料电池大致可以分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸类燃料电池(PAFC)和固态氧化物燃料电池(SOFC)等[16],其工作原理大体相同。例如图1.2展示的是一种典型的PEMFC示意图,所发生电化学反应为:
该装置以氢气为阳极燃料,在氧化剂氧气的作用下,氢气在阳极发生氧化反应,生成氢质子穿过交换膜最终生成水,这一过程产生电流对装置做功用于发电。在PEMFC中,阳极和阴极的常用电极材料为Pt[17]。此外,以甲醇为燃料的DMFC,由于具有结构简单、工作温度低和燃料易存储等优势也受到广泛关注[12,13]。其阳极反应和总反应为:如图1.3所示,DMFC将氧气作为氧化剂,甲醇分子发生氧化反应,这一过程对装置做功产生电流[14]。在DMFC中,阳极电极材料常为PtRu[18]。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 王成名;柏嵩;熊宇杰;;电催化剂设计中表面和界面工程的最新进展（英文）[J];催化学报;2015年09期
本文编号：2894322
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