基于鈷納米晶的高性能電化學(xué)催化劑的制備及電解水性能的研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速發(fā)展，能源問題越來越成為世界性的難題之一，氫能源作為重要的新能源一直受到廣泛的關(guān)注，氫氣可以作為零碳源的清潔能源直接燃燒，而且可以把別的清潔能源轉(zhuǎn)化成氫氣儲(chǔ)備或運(yùn)輸。氫氣的制備方法有很多，其中電解水制備氫氣是最簡(jiǎn)單最清潔的方法，但是直接電解水的能壘比較高，因此需要研究開發(fā)合適的電化學(xué)催化劑以降低電解水的能壘，加速氫氣的產(chǎn)生。眾所周知，以鉑為代表的貴金屬材料是高性能的電解水催化劑，但貴金屬儲(chǔ)量稀少、價(jià)格昂貴，直接制約了

2、其在催化電解水制備氫氣領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，所以研究開發(fā)基于非貴金屬材料的電解水催化劑十分必要。鈷作為地殼含量豐富且高導(dǎo)電性的過渡金屬元素，其單質(zhì)及化合物已經(jīng)在催化電解水產(chǎn)氫或產(chǎn)氧領(lǐng)域有很廣泛的研究，但其催化性能與貴金屬材料相比還有較大的差距。本論文的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)合成由鈷納米晶組裝成的納米空心球狀和納米片狀催化劑，并研究這些具有特定形貌和結(jié)構(gòu)的電化學(xué)催化劑在堿性或者中性溶液中催化電解水的性能。
　　本論文主要包括以下內(nèi)容:
　　

3、第一章是緒論，我們?cè)敿?xì)介紹了電解水制備氫氣的歷史和意義，以及氫電極和氧電極上反應(yīng)的類型和基本原理，然后我們分別介紹了不同結(jié)構(gòu)形貌的鈷基產(chǎn)氫反應(yīng)催化劑和產(chǎn)氧反應(yīng)催化劑，以及設(shè)計(jì)合成這些催化劑時(shí)依據(jù)的不同條件，最后我們介紹了基于不同催化劑的電解池，以及雙功能催化劑組成電解池體系，這些電解池可以與光電池串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)了光能轉(zhuǎn)換成氫能儲(chǔ)存。
　　在第二章中，我們通過化學(xué)還原的方法合成了由鈷納米晶組裝的納米空心球，作為高性能的產(chǎn)氫反應(yīng)催化劑

4、。納米空心球結(jié)構(gòu)具有很高的比表面積，可以充分發(fā)揮鈷納米晶作為活性中心的作用，非晶態(tài)的氧化物層既保護(hù)鈷納米晶不被氧化，又支撐空心球的結(jié)構(gòu)，使催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。在中性溶液中，這種納米空心球結(jié)構(gòu)的催化劑表現(xiàn)出良好的催化活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。我們的研究結(jié)果表明，制備由非貴金屬納米晶組裝成的具有中空結(jié)構(gòu)的催化劑是研究開發(fā)高性能電催化劑的一個(gè)很有前景的方向。
　　在第三章中，我們采用兩種不同的合成方法得到兩種鈷基非晶態(tài)合金材料，將這兩種

5、材料作為前驅(qū)體在鎳泡沫電極上進(jìn)行原位的電化學(xué)活化，分別得到具有納米片陣列結(jié)構(gòu)的氫電極和氧電極。其中，氫電極是先通過原位電沉積的方法在鎳泡沫電極上沉積鈷合金作為前驅(qū)體，在堿性溶液中進(jìn)行電化學(xué)還原活化后，就得到有優(yōu)越的產(chǎn)氫活性和高穩(wěn)定性的鈷金屬納米片陣列，在堿性溶液中的產(chǎn)氫活性優(yōu)于貴金屬Pt/C。氧電極是先通過化學(xué)還原的方法得到鈷-鐵-硼合金作為前驅(qū)體，然后負(fù)載在鎳泡沫電極上并進(jìn)行電化學(xué)氧化活化，得到鈷-鐵-硼氧化物納米片陣列，其在堿性溶液

6、中的產(chǎn)氧活性優(yōu)于貴金屬IrO2。將這兩個(gè)鈷基氫電極和氧電極組裝成電解池，其電解水性能優(yōu)于貴金屬催化劑組成的電解池Pt/CIrO2。我們的研究結(jié)果表明，由原位電化學(xué)活化得到的納米片陣列結(jié)構(gòu)具有高比表面積，同時(shí)納米片和基底之間的接觸電阻小，所得鈷基納米片陣列的催化電解水活性和穩(wěn)定性大幅度超過貴金屬催化劑。由于這類鈷基納米片催化劑的制備非常簡(jiǎn)單，并且性能優(yōu)異，所以具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　第四章中，我們將負(fù)載非貴金屬合金前驅(qū)體的鎳泡沫在

7、堿性溶液中進(jìn)行電化學(xué)還原活化，得到低氧化態(tài)的鈷-鐵-鎢-硼四元合金納米片陣列催化劑，該催化劑在中性溶液中電解水產(chǎn)氫的活性優(yōu)于前面合成的鈷納米晶空心球催化劑，非常接近Pt/C在相同條件下的催化性能。另一方面，將負(fù)載了非貴金屬合金前驅(qū)體的鎳泡沫進(jìn)行電化學(xué)氧化活化，得到高氧化態(tài)的鈷-鐵-鎢-硼氧化物納米片陣列，該催化劑在中性溶液中電解水產(chǎn)氧的活性優(yōu)于貴金屬IrO2。將這兩個(gè)基于鈷-鐵-鎢-硼納米片陣列的電極組成使用中性電解液的電解池，其電解水