功能化碳纳米管电解水析氢催化剂

摘要

氢气是一种洁净友好的二次能源，具有来源广泛，产物为水，清洁环保，可以循环使用等优点。电解水制氢是一种高效的制氢方式，电解水制氢的核心技术为阴极析氢催化剂。现有的析氢催化剂有Pt等贵金属催化剂，Ni、Co等非贵金属催化剂，过渡金属磷化物催化剂，C60(OH)8和C3N4非金属催化剂等。贵金属Pt具有良好的电催化性能，但是它在地球上储量有限，价格昂贵，限制了其大规模使用的可能性。Ni和Co等非贵金属催化剂的催化性能相比较于贵金属有一定差距，在酸性条件下它会被腐蚀和钝化。过渡金属磷化物催化剂具有良好的电催化性能，如MoP，WP，CoP。但以往合成磷化物电催化剂的过程中，合成工艺复杂，并伴有有机废物的产生。近期的研究中，非金属C60（OH）8和C3N4被研制出来，这类催化剂显示出良好的电催化活性。但是这类电催化剂的合成路径复杂，且合成费用昂贵。因此，现在急需研究制备出性能良好的电解水析氢催化剂。
　　本研究主要内容包括：⑴制备出离子液体1-氨丙基-3-甲基咪唑溴盐，并对多壁碳纳米管进行酸化处理。在脱水剂DCC的作用下，将离子液体连接在多壁碳纳米管上，制备出1-氨丙基-3-甲基咪唑-溴盐碳纳米管复合物（AMIM-Br-MWCNTs），电化学测试结果显示，该催化剂的电化学析氢起峰电位是-350mV，Tafel斜率为125.62mV/dec。经过XPS和FT-IR研究发现，1-氨丙基-3-甲基咪唑溴盐在与酸化碳纳米管连接以后形成的酰胺基团拥有较强的质子吸附能力，多壁碳纳米管能够传递电子，促进质子的还原，使得催化剂拥有较好的电催化能力。⑵制备出离子液体N,N-4-甲酯基-苯基-N-甲基葡萄糖溴盐（MBMG-Br），再将其与三氯化铁混合来制备含铁的离子液体（MBMG-FeCl3Br）。将离子液体（MBMG-FeCl3Br）与碳纳米管进行均匀混合，最后放置在磁舟里面，用次磷酸钠进行磷化，制备出磷化铁-碳纳米管（FeP-CNTs）。电化学测试结果显示，该催化剂的起峰电位是-70mV，Tafel斜率为75.9mV/dec。⑶制备出酸化碳纳米管，使用DCC作为脱水剂，将乙二胺连接到酸化碳纳米管上，制备出乙二胺-碳纳米管（EDA-CNTs）。电化学测试结果显示，该催化剂的电化学析氢起峰电位是-150mV，Tafel斜率为116mV/dec。经过XPS和FT-IR研究发现，乙二胺与酸化碳纳米管连接后形成的酰胺基团拥有较强的质子吸附能力，多壁碳纳米管能够传递电子，促进质子的还原，使得电催化剂拥有较好的电催化能力。

目录

声明

第1章绪论

1.1研究的背景与意义

1.2氢能的概述

1.3氢能的应用

1.4氢的制备方法

1.5离子液体简介

1.6析氢反应过程和机理

1.7本论文的研究内容

第2章实验方法

2.1仪器和试剂

2.2主要表征方法

2.3催化剂电化学性能研究方法

2.4电化学性能测试一般测试条件

2.5工作电极的制备

第3章离子液体功能化碳纳米管非金属电解水析氢电催化剂

3.1引言

3.2实验部分

3.3电化学测试与表征

3.4本章小结

第4章有机功能化碳纳米管高活性非金属析氢电催化剂

4.1引言

4.2实验过程

4.3电化学测试与表征

4.5电催化剂电化学析氢机理研究

4.6电催化剂负载量对电化学析氢反应性能的影响

4.7电催化剂的稳定性测试

4.8电催化剂析氢反应机理

4.9本章小结

第5章基于离子液体的磷化铁-碳纳米管混合物高活性析氢电催化剂

5.1引言

5.2实验部分

5.3电化学测试与表征

5.4本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

发表论文及参加课题一览表

致谢

参考文献