碳基复合材料在氢/氧电极反应中的应用研究
不断增长的能源需求和日益严峻的环境污染刺激了可再生能源转化和存储装置的研究。开发用于氧还原反应(ORR)、析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的高效且稳定的催化剂是这些可再生能源技术（例如燃料电池和水分解）的核心。制备双功能HER和OER催化剂可用于电化学水分解系统中，以取代贵金属Pt作为阴极，和替代IrO2/RuO2作为阳极；而双功能OER和ORR催化剂可用作可充电金属-空气电池的阴极。缓慢的ORR是燃料电池中的速控步骤，虽然Pt基复合物有效地催化了这一过程，然而贵金属铂的稀缺性、高成本和电化学不稳定性严重阻碍了其大规模的商业应用。作为ORR的逆反应，OER在能源存储中起着重要作用，例如水分解产生氢气。在酸性电解质中最稳定的金属氧化物应为氧化铱（IrO2）。降低其用量及提高IrO2的本征活性是其实际应用中重点关注的问题。改善IrO2内在活性的有效策略之一是减小纳米粒子的尺寸，这可以使更多的铱原子暴露在表面上并增加不饱和表面铱原子。因此，本论文采用不同的合成方法将金属活性中心负载在碳载体（例如碳纳米管，石墨烯等）上，并将这些电催化材料分别应用于ORR、OER和HER中。具体内容如下： 一、碳纳米管负载氧化铱在氧电极反应中的电催化性能研究 通过简单的浸渍和氢还原策略，将超细氧化铱成功地引入多壁碳纳米管（MWCNTs）上。IrO2@CNT杂化材料显示出高效且稳定的水氧化性能。经XRD、XPS、Raman、TEM、HAADF-STEM和N2吸附等表征技术，评价了不同含量IrO2对电催化性能的影响。电化学测试结果表明，IrO2@CNT杂化材料初始水氧化转化频率TOF值可以达到3.48s-1。另外，2.0%IrO2@CNT仅需要217和272mV的过电势就可以分别在1.0M KOH和0.5M H2SO4中提供10mA cm-2的电流密度，且在碱性和酸性电解质中均表现出良好的稳定性。此外，2.0%IrO2@CNT显示出优异的ORR电催化性能(起始电位：~0.91V vs.RHE，半波电位：~0.796V vs.RHE，扩散极限电流密度：~4.6mA cm-2)。优异的电化学性能可以归因于IrO2和MWCNT之间的协同作用。 二、原子分散的钪-氮共掺杂石墨烯催化剂用于氧还原反应中的电催化性能研究 通过简单的热解法合成了一种新型催化剂，该催化剂由Sc原子均匀分散在高表面积的氮掺杂石墨烯载体上组成。经XRD、Raman、SEM、TEM和XPS等表征技术，评价了不同焙烧温度对杂化材料的形貌结构和电催化性能的影响。电化学测试结果表明，Sc@NG-750具有优异的ORR电催化性能（0.1M KOH和0.5M H2SO4中半波电位分别为：~0.89V vs.RHE和~0.72V vs.RHE）。优异的电化学性能应归因于嵌入在N掺杂石墨烯基体中的活性Sc-Nx位点的存在。 三、Co/CoOx纳米粒子嵌入到氮掺杂碳-石墨烯上作为三功能催化剂的电催化性能研究 通过简便一锅法合成策略，将Co/CoOx纳米粒子嵌入到氮掺杂的碳石墨烯上。Co@NC-G催化剂可用作HER、ORR和OER的高效三功能电催化剂。经XRD、SEM、TEM、XPS、FT-IR、UV/Vis和N2吸附等表征技术，评价了焙烧温度、石墨烯含量对杂化材料的形貌结构和电催化性能的影响。电化学测试结果表明，Co@NC-G-700杂化材料在0.5M H2SO4和1.0M KOH中HER达到10mA·cm-2所需的过电位仅分别为140和136mV；在1.0M KOH中的OER的电位仅为322mV。另外，在0.1M KOH中，Co@NC-G-700具有良好的ORR性能（半波电位：~0.83V vs.RHE，扩散限制电流密度：~5.2mA cm-2）。除了具有良好的HER、ORR和OER活性外，它在这些催化反应中还表现出优异的电化学稳定性。Co-Nx位点应对高效的HER和ORR性能其主要作用，而Co-O-Co、Co-N-C和Co-O-C位点协同效应可能对OER起到关键作用。
碳基复合材料;氧化铱;制备工艺;氧还原反应;析氧反应;析氢反应;电催化性能
吉林大学
硕士
物理化学
管景奇
2020
中文
TQ426.7
2020-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）