铜基合金/碳纳米纤维杂化材料的制备及其在电催化析氢中的应用

摘要

能源枯竭和环境恶化是妨碍可持续发展战略的两大障碍，因此开发绿色环保的新型能源以取代化石燃料是未来能源的发展趋势。氢能源因其清洁、高效、可持续等特点而被公认为最有潜力的能源载体之一。在众多的制氢方法中，电催化分解水因方法简单、产物纯度高、资源丰富而引起了广泛的关注，铂基材料作为最好的析氢催化剂因为价格昂贵和地球储量少而无法大规模地商业应用。因此，如何在降低生产成本的同时提高催化剂的析氢活性和稳定性成为了当前急需解决的难题。随着纳米技术的飞速发展，零维纳米颗粒和一维纳米纤维由于其特殊的纳米效应和高比表面积而被广泛应用于许多领域。同时，资源丰富且廉价的Cu基纳米材料因其独特的物理化学性质也逐渐进入了人们的视线。基于上述原因，本文通过静电纺丝技术和高温碳化工艺制备了一系列超细碳纳米纤维作为支撑材料来负载Cu基纳米颗粒(NPs)，将其作为电极材料应用于电催化析氢领域，系统研究和分析了Cu基纳米颗粒的形貌和尺寸与催化活性之间的关系。主要内容如下:
　　(1)通过溶胶凝胶法制备含有Cu盐的PVA水溶液，然后采用静电纺丝技术和高温碳化工艺得到CuNPs/碳纳米纤维(CNFs)杂化材料，利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对其表面形貌和内部结构进行表征。研究表明，所制备的CuNPs均匀分散于CNFs表面，尺寸为5-20nm，CNFs的直径为100-400nm。此外，还通过X射线衍射仪(XRD)和X射线能谱仪(XPS)对晶体结构和表面价态进行分析，进一步证明了CuNPs/CNFs杂化材料的成功制备。在酸性条件下的电催化析氢测试显示，当电流密度为10mA cm-2时，其过电位只有200mV，Tafel斜率也低至152mV dec-1;
　　(2)为了进一步提高材料的催化活性，在CuNPs中引入了Pt元素，通过改变Pt盐和Cu盐的质量比得到了一系列Pt-Cu/CNFs杂化材料，同时调节碳化温度便可以精确控制Pt-CuNPs的尺寸和形貌。此外，还进一步探索了金属盐的质量比和碳化温度对Pt-CuNPs的形貌、尺寸以及电催化活性之间的关系;在0.5M H2SO4电解液中，Pt-CuNPs的催化性能在电流密度为10mA cm-2时的电压仅需72mV，明显的低于PtNPs和CuNPs;
　　(3)为了探究Cu基材料的结构和组成对催化活性的影响，通过调节前驱体溶液中的Au盐和Cu盐的质量比得到一系列Au-Cu/CNFs杂化材料。研究表明，随着Cu含量的增加，Au-Cu/CNFs杂化材料逐渐由AuCu3合金相向Au3Cu合金相转变，同时也会有越来越多的Cu原子聚集长大成Cu壳，形成Au3Cu-Cu核-壳纳米颗粒。

目录

声明

摘要

缩写、符号清单和术语表

第一章 绪论

1．1 电催化析氢概述

1．1．1 反应机理

1．1．2 理论计算

1．2 Cu基材料在电催化析氢中的应用

1．2．1 Cu的物理化学性能

1．2．2 Cu基材料作为析氢电极的研究进展

1．3 静电纺丝技术简介

1．4 论文的主要内容和创新点

1．4．1 论文的主要内容

1．4．2 论文的创新点

第二章 实验方法与样品表征

2．2．3 Au-Cu/CNFs杂化材料的制备

2．3 样品的表征方法

2．4 样品的性能测试

第三章 CuNPs/CNFs杂化材料的制备及其在电催化析氢中的应用

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 CuNPs/CNFs杂化材料的形貌与结构分析

3．2．2 CuNPs/CNFs杂化材料的电化学性能

3．3 本章小结

第四章 Pt-Cu/CNFs杂化材料的制备及其在电催化析氢中的应用

4．1 引言

4．2 结果与讨论

4．2．1 Pt-Cu/CNFs杂化材料的形貌与结构分析

4．2．2 Pt-Cu/CNFs杂化材料的电化学性能测试

4．3 本章小结

第五章 Au-Cu/CNFs杂化材料的制备及其在电催化析氢中的应用

5．1 引言

5．2 结果与讨论

5．2．1 Au-Cu/CNFs杂化材料的形貌与结构分析

5．2．2 Au-Cu/CNFs杂化材料的电化学性能测试

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

致谢