金属配合物修饰电极析氢性能研究

摘要

氢气具有清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体。析氢电极材料由于存在着过电势高、不稳定等缺点，因此需要研究开发一种具有高析氢催化活性和稳定性及价格低廉的电极材料。金属配合物主要是由金属离子和有机配体两个重要的部分组成，同时兼具无机物和有机物的特点，因具有结构多样、性质多样等特点，广泛应用于光学、吸附、催化等方面。本文中，以过渡金属配合物材料作为析氢电催化剂用来修饰碳糊电极，研究其在酸性介质中的催化性能。
　　首先，以4，4-联吡啶为配体，采用热溶剂法合成W/S/Cu簇合物，制各W/S/Cu簇合物修饰的碳糊电极(W/S/Cu-GPE)，并对其结构进行表征。利用阴极极化曲线、电化学阻抗等技术研究W/S/Cu簇合物对该电极催化析氢性能的影响。结果表明，W/S/Cu-GPE电极的开路电势与GPE电极的开路电势相比正移了0.178 V，并且在同一开路电势下W/S/Cu-GPE的电流密度远远大于GPE电极的电流密度，W/S/Cu-GPE电极的活化能为95.1 kJ mol-1，比GPE电极的活化能降低了31％。
　　其次，以5-磺基间苯二甲酸单钠盐和1，10-菲咯啉为双配体，采用溶剂热法分别合成Ni(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)配合物，并对其结构进行表征。制备了2种配合物修饰的碳糊电极Ni-GPE及Cu-GPE。探索电极材料、温度、催化剂的含量对其析氢催化性能的影响。采用FE-SEM对电极表面形貌进行表征，利用电化学阻抗技术对电极材料析氢界面状况进行分析。结果表明，在电流密度为10 mA cm-2时，与GPE电极相比，Ni-GPE电极的析氢过电势正移了0.203 V，Cu-GPE电极的析氢过电势正移了0.170V，其中，Cu-GPE电极的交换密度是GPE电极的13倍。
　　最后，以3，5-吡唑二羧酸，1，10-菲咯啉为配体，采用溶剂热法合成2种双金属CuBi配合物和CuGd配合物，分别制备双金属配合物修饰的碳糊电极CuBi-GPE和CuGd-GPE，并探索电极材料、配体、温度以及催化剂含量对其析氢性能的影响。结果表明，在电流密度为10 mA cm-2时，CuBi-GPE电极的过电势与GPE电极的过电势相比正移了0.538 V，其交换密度是GPE电极的181倍，CuGd-GPE电极的过电势与GPE电极的过电势相比正移了0.450 V，其交换密度是GPE电极的1206倍。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 氢能

1．2 析氢电极材料的种类

1．2．1 贵金属及合金电极材料

1．2．2 铁基合金电极材料

1．2．3 镍基合金电极材料

1．2．4 其他金属基合金材料

1．2．5 复合电极材料

1．3 本论文选题的目的、意义及内容

第二章 W／S／Cu簇合物修饰电极及电催化析氢性能的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 W／S／Cu簇合物电极的制备

2．2．3 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 W／S／Cu簇合物的红外光谱

2．3．2 W／S／Cu簇合物的XRD图

2．3．3 W／S／Cu簇合物的XPS图

2．3．4 电极材料的形貌表征

2．3．5 不同电极材料的Tafel曲线

2．3．6 不同温度下两电极的Tafel曲线

2．3．7 两电极的析氢活化能

2．3．8 电化学阻抗(EIS)测试

2．4 本章小结

第三章 Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)配合物修饰电极及电催化析氢性能的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 Ni(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)配合物电极的制备

3．2．3 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 Ni(Ⅱ)配合物和Cu(Ⅱ)配合物的红外光谱图

3．3．2 Ni(Ⅱ)配合物和Cu(Ⅱ)配合物的XPS图

3．3．3 电极材料的形貌

3．3．4 不同电极材料的阴极极化曲线

3．3．5．不同Ni(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)配合物含量对析氢性能的影响

3．3．6．不同温度对析氢性能的影响

3．3．7 不同电极的析氢活化能

3．3．8 交流阻抗

3．4 本章小结

第四章 双金属CuBi和CuGd配合物修饰电极及电催化析氢性能的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 双金属CuBi和CuGd配合物修饰电极的制备

4．2．3 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 双金属CuBi配合物的红外谱图

4．3．2 双金属CuGd配合物的红外谱图

4．3．3 不同电极材料的阴极极化曲线

4．3．4 不同配体修饰的电极对析氢性能的影响

4．3．5 不同配合物含量对析氢性能的影响

4．3．6 不同温度对析氢性能的影响

4．3．7 析氢活化能

4．3．8 交流阻抗

4．4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文