三维石墨烯/NI基合金复合电极的制备及其电催化产氢性能

摘要

氢能是一种热值高、可再生、环境友好的新型能源，可替代目前工业上常用的化石燃料。碱性电解水产氢具有技术成熟和氢气纯度高的优势，但电能消耗大，不利于工业化生产。开发高效的产氢反应催化剂来降低产氢过电势成为当前研究的热点。尽管Pt基金属催化剂可以显著减少产氢过电势，但因其高成本、自然界含量低和催化剂中毒现象使其不能满足工业生产的需求。具有相对较高的催化活性且成本低廉的过渡金属Ni及Ni基合金可以替代Pt基催化剂实现电催化产氢反应，但其产氢过电势依然较高。
　　纳米多孔Ni基合金虽然具有较低的产氢过电势，化学活性较高，但稳定性差。三维石墨烯具有高比表面积、高导电性和电化学稳定性等优势，但本身电催化产氢反应活性不高，通过过渡金属原子掺杂可有效降低产氢过电势。本论文采用不同体系合金通过脱合金化法形成纳米多孔Ni基合金，并作为基体通过CVD法生长具有三维连续结构的石墨烯，化学腐蚀后形成的NiCo掺杂三维石墨烯电极具有高比表面积、高导电性和电化学稳定性，并且能够显著降低产氢过电势。
　　本文的研究主要内容及结论为:
　　(1)根据合金相图制备出不同体系的合金。XRD分析表明NiCuMn和NiCoMn合金成分均匀，属于面心立方晶型的单相固溶体，有利于形成孔径分布均匀的三维纳米多孔结构。采用脱合金化法成功制备出孔径分布均匀的纳米多孔Ni基合金，BET和TEM分析表明其孔径分布在3～6nm之间。
　　(2)本文研究了不同成分纳米多孔Ni基合金的电催化产氢性能，结果表明与块状Ni基合金相比，纳米多孔Ni基合金材料产氢过电势和Tafel斜率大幅降低，但产氢反应的电化学稳定性较差。
　　(3)以np-NiCo作为基体通过CVD法原位生长石墨烯，成功制备了三维石墨烯/Ni基合金复合材料，并通过化学腐蚀形成NiCo掺杂三维石墨烯。研究表明延长CVD生长时间和提高生长温度会增大三维石墨烯/NiCo复合材料和NiCo掺杂三维石墨烯的孔径，同时会增加产氢反应过电势;在800℃下生长1min的NiCo掺杂三维石墨烯具有最小的孔径（100-300nm），最低的产氢过电势（电流密度20mA/cm2下过电势175mV）和最低的Tafel斜率(72mV/dec)，同时具备高导电性和优秀的电化学稳定性，有望替代Pt成为理想的产氢电极材料。

目录

声明

摘要

第一章 概述

1．1 研究背景及意义

1．2 电解水产氢概述

1．2．1 电解水产氢原理及分类

1．2．2 碱性电解水电化学理论

1．2．3 碱性电解水产氢催化剂概述

1．3 Ni基产氢电极概述

1．3．1 Ni基合金产氢电极

1．3．2 Ni基多孔产氢电极

1．4 三维石墨烯产氢电极

1．4．1 三维石墨烯的分类及其电催化应用

1．4．2 化学沉积法制备三维石墨烯

1．4．3 三维石墨烯电极电催化产氢性能的研究进展

1．5 研究目的和主要研究内容

1．5．1 本课题的选题依据、研究目的及意义

1．5．2 本课题的主要研究内容和研究方法

第二章 实验材料与方法

2．1 实验原材料、药品及仪器设备

2．1．1 实验原材料及药品

2．1．2 实验仪器设备

2．2 实验材料的制备

2．2．1 合金的制备

2．2．2 纳米多孔金属基体的制备

2．2．3 三维石墨烯／Ni基合金复合材料及Ni基合金掺杂三维石墨烯电极的制备

2．3 产氢电极的电化学性能测试方法

2．3．1 线性伏安扫描测试(LSV)

2．3．2 交流阻抗测试(EIS)

2．3．3 恒电压计时电流测试(I-T)

3．1 引言

3．2 Ni基合金产氢反应电化学能研究

3．3 形貌和结构表征

3．3．1 Ni基合金的X射线衍射分析

3．3．2 纳米多孔Ni基合金的BET分析

3．3．3 纳米多孔NiCo合金的TEM分析

3．4 纳米多孔Ni基合金产氢反应电化学能研究

3．4．1 纳米多孔Ni基合金产氢电极的线性伏安扫描测试

3．4．2 纳米多孔NiCo合金产氢电极的稳定性测试

3．5 本章小结

第四章 三维石墨烯／NiCo合金复合电极性能研究

4．1 引言

4．2 形貌和结构表征

4．2．1 宏观形貌

4．2．2 微观形貌形貌分析

4．2．3 结构分析

4．3 产氢反应电化学性能研究

4．3．1 线性伏安扫描测试

4．3．2 交流阻抗测试

4．3．3 稳定性测试

4．4 本章小结

第五章 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢