电沉积法制备金属--炭活性电极及其电解水性能研究
为了满足人类社会的快速发展需要，石油、天然气和煤等化石能源被过渡地开发和利用，这加剧了本就十分严重的环境污染问题和能源危机问题。因此开发能够高效利用的可再生清洁能源技术，以及新型能量储存和转换技术便显得尤为重要。近些年，电解水制备氢气的技术得到了迅速发展，而制约电解水反应进行的因素主要为发生在阳极的氧气析出反应(Oxygen Evolution Reaction，OER)，以及发生在阴极的氢气析出反应(Hydrogen Evolution Reaction，HER)。本文采用电沉积法，将不同元素掺杂的碳量子点分别与镍铁和钌复合，制备了多种金属-炭活性电极。通过氮掺杂碳量子点的加入，形成了氮掺杂碳层，其中氮原子作为配位原子，与金属原子配位，从而形成了金属-氮/碳结构，这有利于金属团簇之间的电子传输，以及更多催化位点的暴露，最终有助于促进金属团簇的氧析出与氢析出催化性能的提升。探究了电解液浓度、电沉积时间，热处理温度，金属离子与碳量子点比例以及不同掺杂元素的碳量子点对金属-炭活性电极催化性能的影响。本论文的主要研究成果如下: 一、制备了用于与金属复合的氮、硼、磷掺杂的碳量子点前驱体，探究了三种不同元素掺杂碳量子点的元素组成，官能团种类，以及微观结构和其粒径分布规律。 二、制备了氮掺杂碳量子点与镍铁复合的金属-炭活性电极，用于电催化氧析出反应。分别对电沉积的时间，碳量子点浓度，金属浓度等参数对活性电极的催化性能影响进行了探究。结果表明，随着氮掺杂碳量子点的加入，形成了氮掺杂碳层，其有利于金属团簇之间的电荷转移。且碳层与金属团簇结合后，形成了表面粗糙的结构，增大了催化反应的表面积也暴露出更多的催化位点。在最优电沉积条件下制备的活性电极，其氧析出催化反应的过电位在10mAcm-2电流密度下仅为195mV，优于商业中使用的贵金属催化剂。 三、制备了氮磷硼掺杂的碳量子点与钌复合的金属-炭活性电极，用于电催化氢析出反应。分别对电沉积的时间，碳量子点浓度，金属浓度等参数对活性电极的催化性能影响进行了探究。结果表明，氮掺杂碳量子点的加入所形成的碳层，有助于电荷的转移。并且在掺入硼元素后，由于其显正电性且硼原子尺寸较小，让更多催化位点暴露的同时，提高了电荷的转移能力，最终进一步提高了氢析出催化活性。而当掺入磷元素后，由于其显负电性且磷原子尺寸较大，阻碍了电荷在金属团簇之间的传输，使得氢析出催化性能下降。在最优电沉积条件下制备的活性电极，其氢析出催化反应的过电位在-10mAcm-2和-100mAcm-2电流密度下分别为-69mV和-172mV，优于商业中使用的贵金属催化剂。
电解水制氢;碳量子点;电沉积法;金属-炭活性电极;热处理;氮掺杂
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
张正平
2021
中文
TQ116.21
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）