纳米阵列超疏气电极在析气反应中的应用
能源衰竭已经成为当今世界上困扰人类的主要难题之一，传统的一次能源由于其不可再生性以及能量转换效率低等原因，已不能满足日益增长的各种耗能体系的需求。寻找和开发替代一次能源的新型能量储存与转换系统，以及如何更高效率的利用环境友好的新型清洁能源是当前研究的重点所在。在众多能源转换体系中，析气反应是一个庞大且重要的分支，其中氢气析出反应、氧气析出反应及氯气析出反应作为典型的析气反应，是化工产业中的重要组成部分:电解水体系作为一种能源转换系统是获取清洁能源氢气与氧气的主要手段，氯碱体系则是得到重要化工原料——氯气、氯酸盐和烧碱等——的主要手段。如何有针对性的对析气反应设计制备相应的新型催化剂，以降低能源转换过程中的能耗，提高电解效率，是目前的研究重点。对于电解水体系，目前大部分的催化剂都只是集中于单级催化剂的研究，大多数催化剂都只能在一种环境中（酸性或碱性电解液）稳定存在，为了节约成本，发展可以在一种工作环境中同时电解水生成氢氧气的新型双功能催化剂便显得至关重要。而对于氯碱体系阳极端，目前工业上使用的钌钛氧化物涂层电极由于在制备过程中，表面不可避免的龟裂形貌对电极活性造成了较大影响，而大部分科研工作者研究重点均为对活性涂层中组分进行不同元素的掺杂，对电极形貌的调控工作报道的较少，同时对于上述三种气体析出反应，大多数平面及粉末状电极还面临着较严重的“气泡效应”影响。综上所述，针对不同的析气反应，制备具有高本征活性与弱“气泡效应”的纳米结构超疏气电极是十分有必要的。因此，面对以上问题，本论文主要从以下几个方面进行了研究: 1、通过两步法合成了表面多孔的镍铁氮化物纳米片阵列电极，并探究了其作为双功能催化剂电解水的电化学活性。首先利用温和的水热合成法在泡沫镍基底上得到镍铁水滑石纳米片阵列，作为氮化反应的前驱物，之后在氨气环境中将前驱物做氮化处理，得到镍铁氮化物纳米片阵列。得到的纳米片表面呈现多孔形貌，增大了其活性比表面积，氨气的还原作用使产物中Ni元素部分呈现零价态，金属态的存在对电催化析氢活性做出了一定贡献。进一步的电化学测试表明，这种镍铁氮化物纳米片阵列电极在碱性电解液中具有很好的OER与HER催化活性，起峰过电位很小且工作稳定性较高，同时该电极对气泡粘附力较低，具有超疏气特性，缓解了OER与HER过程中“气泡效应”对反应的影响。将该电极同时作为阴阳极全电解水时，性能与稳定性均优于Pt‖Ir/C组成的电解水系统。 2、利用水热法与电沉积法制备得到了钌钛氧化物纳米片阵列电极，并探究了其作为氯气析出反应催化剂的电化学活性。首先以金属钛片为基底，在碱性环境中利用水热法得到钛酸钠纳米片阵列，之后进行一次煅烧得到二氧化钛纳米片阵列。接着利用电沉积的方法在二氧化钛纳米片表面包覆一层金属钌，最后进行二次煅烧得到核壳结构的钌钛氧化物纳米片阵列。对得到的产物进行气泡粘附力测试，发现该电极具有很好的超疏气特性，相比于平面型电极可大大缓解反应过程中的“气泡效应”，进一步的电化学测试表明该催化剂可大幅度提高氯气析出反应速率，超疏气电极的表面形貌也为稳定其工作状态做出了极大贡献。同时，制备了表面具有不同密度纳米片阵列的电极，以探究不同表面粗糙度对电化学性能的影响。
超疏气电极;纳米阵列;析出反应;本征活性;气泡效应
北京化工大学
硕士
化学
孙晓明
2017
中文
TM242;TM205.1
81
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）