应用于电解水和氧还原反应催化剂的设计与合成

摘要

随着对环境意识的增强和对有限资源认识的加深，为了减少对石油化工能源等不可再生资源的依赖，寻求并开发清洁、廉价、便捷、有效的能源供给方式已经成为能源产业首当其冲的任务。近年来，针对各种低污染电池技术的研发方兴未艾，尤其值得关注的是可再生的燃料电池、可充电重复利用的金属-空气电池、电解水等新能源技术。这些新能源技术都是以电化学催化过程为基础，而电催化过程需要催化剂来降低反应过程的能耗。
　　目前，电极催化剂多以贵重的铂、铱和钌等金属，但是这些贵金属在全球储量有限，且价格相对昂贵，在很大程度上限制了新能源技术的发展。在这种情况下，设计新型高效催化剂迫在眉睫，新一代的催化剂既要降低铂金属材料的用量，又需要提高其对电化学的催化活性，尤其是单位质量活性，并应具有较好的耐久性。因此，制备高效合金催化剂和新型非贵金属催化剂（如钙钛矿）成为了人们研究的热点，故本文的主要工作旨在合成具有高电导率和活性位点丰富的钙钛矿型氧化物和Pt-Cu合金纳米催化剂，并研究它们在电催化上应用。本文总共分为五章，各章的主要内容如下:
　　第一章，我们首先简要介绍了电化学催化的背景;然后总结了电化学催化中电解水产氢气、产氧气和氧还原三个反应的基本机理，以及如何评价电化学催化剂的性能;最后，综述近些年来电化学催化方向取得的重要进展，主要介绍通过调控贵金属纳米催化剂的形貌、尺寸以及组成，改善催化剂的电化学性能，并探讨了钙钛矿以及类钙钛矿催化剂对电化学催化的影响。
　　第二章，我们介绍了具有五重对称性的多级分支准十二面体Pt-Cu纳米合金的合成方法，并发现了KI的用量以及Pt和Cu前驱物的配料比是能成功合成此材料的关键所在。多级分支准十二面体Pt-Cu纳米合金表现出很高的电催化HER性能，优于商用的Pt/C催化剂。孪晶缺陷以及多级框架结构是提高材料催化性能的根本原因。
　　第三章，我们通过液相超声剥离的方法合成具有氧缺陷修饰的WO3，发现其氧缺陷的存在造成了W的价态从6+下降到5+，而且钨原子的配位数也明显下降。通过电化学测试发现具有氧缺陷修饰的WO3的性能优于WO3 bulk且接近于商用Pt/C催化剂，这很可能是因为氧缺陷调控了钨原子的电子结构，造成氢吸附自由能接近于零，所以催化活性获得提高。
　　第四章，我们通过溶胶-凝胶法合成了带有氧缺陷的双钙钛矿氧化物和其对应的单钙钛矿氧化物，我们发现双钙钛矿氧化物的具有双功能的催化特性:电解水产氧气和电催化氧气还原。双钙钛矿氧化物改善了单钙钛矿氧化物的单一催化性能，而且在稳定性上有很大的提高。这归结于双钙钛矿具有较高的导电性和稳定的结构。
　　第五章，我们总结了本文的工作要点，展望了电化学催化剂的应用前景，并从催化剂合成的产量、构效关系到电化学的原位表征手段上来阐述电催化方向上的机遇和挑战。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 电化学反应机理介绍

1．2．1 电解水氢气析出(HER)

1．2．2 电解水氧气析出(OER)

1．2．3 电催化氧还原反应(ORR)

1．3 电催化剂研究进展

1．3．1 贵金属纳米催化剂

1．3．2 钙钛矿氧化物

1．4 本论文研究内容及实验结果

参考文献

第二章 多级分支准十二面体Pt-Cu纳米合金的合成及其在电催化HER上的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 典型样品合成

2．2．3 电化学测试

2．2．4 样品表征及仪器设备

2．3 结果与讨论

2．3．1 标准样品的结构及组成表征

4．3．2 多级分支准十二面体Pt-Cu纳米合金的生长过程探究

2．3．3 多级分支准十二面体Pt-Cu纳米合金的生长机理探究

4．3．4 样品的电催化性能测试

2．4 本章小结

参考文献

第三章 缺陷修饰的WO3超薄纳米片在电催化HER上的应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 样品合成

3．2．3 电化学测试

3．2．4 实验过程及样品表征所涉及的仪器设备

3．3 结果与讨论

3．3．1 典型样品的形貌与结构表征

3．3．2 样品的电催化性能测试

3．4 本章小结

参考文献

第四章 双钙钛矿氧化物的合成及其在电催化OER和ORR上的应用

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 典型样品合成

4．2．3 电化学测试

4．2．4 实验过程及样品表征所涉及的仪器设备

4．3 结果与讨论

4．3．1 典型样品的结构及组成表征

3．3．2 样品的电催化性能测试

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

致谢

在读期间已取得的科研成果