纳米多孔电催化剂的制备及其水分解和二氧化碳还原性能研究

摘要

能源危机与全球变暖是当今社会面临的两大难题。通过电化学法将水(H2O)和温室气体二氧化碳(CO2)分别转化成氢气(H2)，一氧化碳(CO)及甲酸(HCOOH)等能源分子，将能量存储到这些清洁、高能量密度的化学燃料中以便循环利用。一方面实现了能源转化，解决人类对能源日益增长的需求，另一方面有效利用电化学法实现水循环和碳循环，对解决能源和环境问题具有重要意义。然而利用电化学法转换 H2O和 CO2为可利用的能源分子仍有许多问题亟待解决，主要包括：(1)电极材料的催化反应的过电位较高，电化学反应不易发生；(2)高活性的贵金属基材料成本高，催化稳定性差；(3)电流利用率还不够，副反应较多，尤其CO2转化的选择性不高；(4)CO2转化率和产率仍有待提高。 研究表明，在众多的催化剂中储量丰富的过渡金属基多孔材料在电催化转化领域中具有独特的优势，在电催化分解水方面，过渡金属(如Cu，Fe，Ni)的磷化物，氢氧化物材料展现出了高活性，稳定性好的特点；在电化学还原CO2方面，过渡金属Sn基材料表现出了高活性、高选择性、转化率高的优点。针对以上问题，本文进行如下探索： 一方面，在金属铜编织网上原位合成出Cu2O纳米阵列，利用同源前驱体分别得到镍铁层状双氢氧化物(NiFe-LDH)电极和磷化亚铜(Cu3P)纳米线阵列电极，并将其分别作为电解水的阳极和阴极，实现水的全电解。相对于粉末体系催化剂材料，由金属编织网制备的阵列电极具有电化学活性面积大、气泡扩散快、利于电荷传质、导电性好等优点。以1 M KOH作为电解液，分别对NiFe-LDH的析氧性能和Cu3P的析氢性能进行测试，电化学测试结果显示起峰电位分别为1.52和-0.2 V vs. RHE，Tafel斜率分别为61和107 mV dec-1，电流密度达到100 mA cm-2所需的过电位分别为300和365 mV。然后，分别以NiFe-LDH和Cu3P材料作为阳极电极和阴极电极构建NiFe-LDH||Cu3P两电极全分解水的电解池，在1 M KOH电解液中，组成的全分解水电解池在工作电压为1.72 V时即可达到10 mA cm-2的电流密度，在长达12 h的全分解水测试后依然保持良好的稳定性，且电催化产氢和产氧的法拉第效率均接近100%，表明我们所制备的阵列电极具有非常好的电催化分解水性能。 另一方面，利用阳极氧化法在锡片基底上生长出具有高孔隙率的多孔氧化锡(NP-SnO2)，并将其应用于电催化还原CO2的研究。在0.5 M KHCO3电解液中对多孔氧化锡电极(NP-SnO2/C)进行 CO2电还原测试，采用了电化学表征，同时使用了气相色谱和核磁分别对电催化还原CO2的气体产物(CO)和液体产物(HCOOH)进行了定性及定量分析，循环伏安(CV)表征显示NP-SnO2/C具有低的起峰电位(-0.6 V vs. RHE)，并且在还原电位-0.7，-0.8，-0.9，-1.0，-1.1和-1.2 V(vs. RHE)时，电化学CO2还原产物(气体产物CO，液体产物HCOOH)的法拉第效率分别为(30%，55%)，(19%，73%)，(13%，76%)，(12%，56)，(4%，50%)和(2%，42%)，在-0.8 V时，CO2电催化实现了最高的转化效率，CO和HCOOH的总法拉第效率超出了90%，并经过180 min测试之后，依然保持良好的稳定性。

目录

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2电催化分解水

1.2.1电催化分解水的原理与现状

1.2.2电催化析氢催化剂的类型

1.2.3电催化析氧催化剂的类型

1.3电催化还原CO2

1.3.1电催化还原CO2的基本原理

1.3.2电催化还原CO2催化剂的类型

1.4纳米多孔材料的概述

1.4.1多孔材料简介

1.5课题选择和研究内容

第二章 纳米线阵列结构编织铜网催化电极的制备及其水分解研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂

2.2.2实验仪器

2.2.3实验内容

2.3实验结果与讨论

2.3.1前驱体的结构和形貌表征

2.3.2 NiFe-LDH的结构和形貌表征

2.3.3 Cu3P的结构和形貌表征

2.3.4 NiFe-LDH的电催化析氧性能的研究

2.3.5 Cu3P的电催化析氢性能的研究

2.3.6 NiFe-LDH||Cu3P全分解水性能的研究

2.4本章小结

第三章 多孔氧化锡阵列制备及其电催化还原CO2的研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验试剂

3.2.2实验仪器

3.2.3实验内容

3.3结果与讨论

3.3.1多孔氧化锡的结构与形貌表征

3.3.2多孔氧化锡电催化还原CO2的选择性研究

3.4本章小结

第四章 全文总结与展望

4.1全文总结

4.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢