新型纳米Ag2S/CuS催化材料及其析氢性能研究

摘要

电解水制氢气具有环保，原材料丰富，氢气纯等优点，Pt是良好的析氢催化剂，但是由于Pt的储量稀少，价格昂贵等缺点难以广泛应用，因此，寻找替代Pt的析氢催化剂成为研究趋势。本文采用化学脱合金的方法，以Ti-Cu-Ag非晶条带为原料，硫酸为腐蚀介质，制备了纳米Ag2S/CuS复合催化剂。系统研究了条带成分、反应时间、反应温度、硫酸浓度对Ag2S/CuS催化剂的形貌、成分、性能的影响，并对Ag2S/CuS催化剂的形成机制及催化原理进行分析。
　　本文以Ti30Cu70-xAgx(x=0，1，3，5，7)的非晶条带成分在90℃的15mol/LH2SO4中反应48h，制备了CuS基催化剂。随着Ag含量的提高，原始条带由非晶态转变为晶态Ag+非晶态（Ti30Cu63Ag7），使得催化剂由多孔状变为颗粒状。同时，Ag2S在催化剂中的含量会随着Ag含量的提高而增加，对应催化剂的析氢性能先提高后降低，在Ag含量为5时达到最大值，其电流密度是纯CuS的8倍(过电位是0.4Vvs.RHE)，而且Ag2S/CuS催化剂在酸性介质中表现出了很好的稳定性。由该方法制备出的催化剂析氢性能取决于两方面:一是催化剂的比表面积，决定了可能暴露出的活性位点的数量，另一方面，Ag2S在复合催化剂中的含量，决定了催化剂的性质。综合这两方面影响，由Ti30Cu65Ag5制各出的复合催化剂性能最佳。
　　不同实验条件对Ag2S/CuS的形成和性能都会产生硬性。随着反应时间的延长（1h～72h）催化剂先逐步硫化形成Ag2S/CuS，而后Ag2S分解，微观形貌呈现从片状到颗粒状再到片状的变化规律。通过测试不同反应时间制备的催化剂的析氢性能发现，Ag2S/CuS复合催化剂（48h）的电流密度是纯CuS（72h）的3倍（过电位是0.4V vs.RHE），同时，复合催化剂在酸性介质中反应14小时后仍能保持良好的催化活性。反应温度和硫酸浓度都对Cu能否完全硫化成CuS有重要影响，温度从90℃到120℃，硫酸浓度从11mol/L到15mol/L，产物都会呈现从Cu2S到CuS的变化规律。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 电解水制氢气

1．2．1 氢能的优势

1．2．2 氢气的制备方法

1．2．3 电解水制备氢气的基本原理

1．3 析氢催化剂研究现状

1．3．1 铂基催化剂

1．3．2 镍基催化剂

1．3．3 氧族催化剂

1．3．4 新型催化剂

1．4 CuS与Ag2S的制备方法及其应用

1．5 课题研究背景及意义

第二章 原始条带成分对Ag2S／CuS材料及其性能的影响

2．1 引言

2．2 实验

2．2．1 仪器与试剂

2．2．2 样品制备

2．2．3 材料表征与性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 原始Ti-Cu-Ag合金条带的成分分析

2．3．2 原始条带成分对Ag2S／CuS形貌的影响

2．3．3 原始条带成分对Ag2S／CuS物相的影响

2．3．4 催化剂Ag2S／CuS中CuS与Ag2S含量的分析

2．3．5 原始条带成分对Ag2S／CuS析氢性能的影响

2．4 本章小结

第三章 反应时间对Ag2S／CuS材料及其性能的影响

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 仪器与试剂

3．2．2 样品制备

3．2．3 材料表征与性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 反应时间对Ag2S／CuS形貌的影响

3．3．2 反应时间对Ag2S／CuS物相的影响

3．3．3 纳米层片状Ag2S／CuS形成机理分析

3．3．4 反应时间对Ag2S／CuS析氢性能的影响

2．4 本章小结

第四章 反应温度及硫酸浓度对Ag2S／CuS材料及其性能的影响

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 样品制备

4．2．3 材料表征与性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 反应温度对Ag2S／CuS形貌的影响

4．3．2 反应温度对Ag2S／CuS物相的影响

4．3．3 硫酸浓度对Ag2S／CuS物相的影响

4．3．4 反应温度对Ag2S／CuS性能的影响

4．4 本章小结

第五章 全文总结

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢