基于廉价金属复合材料电催化剂设计、合成及性能研究

摘要

由于对非再生化石燃料资源的过度依赖，给人类社会与生态环境带来了巨大负面影响，寻找可替代清洁能源是未来人类发展急需解决的重大问题。燃料电池作为一种转换装置可将化学存储能量直接转化为电能，具有高转换效率、环境亲和性、燃料多样、用途广泛等特点，被认为是未来最有潜力的能源供给装置。然而，燃料电池所须的高成本贵金属催化剂严重制约了其商业化发展，人们迫切需要开发设计低成本、高活性、高稳定性的少贵金属或非贵金属电催化剂来降低燃料电池生产成本。本论文着眼于这一点，首先综述了几种与能源转换装置相关的重要电化学反应，及各电化学反应催化剂的研究进展。重点阐述了用廉价碳基或过渡金属硫族化合物复合材料设计、合成新型非贵金属催化剂所取得的研究进展。值得注意的是，目前发展的一些低成本复合材料催化剂在催化活性、稳定性或规模化生产总会在某一方面不能达到实际应用的要求。基于此，我们理性地选择产量大、低成本、有催化应用前景的过渡金属硫族化合物为主要研究对象，通过“化学嫁接”方法将合适的功能纳米材料与其复合杂化，利用不同材料间的化学耦合作用调节功能材料的电子结构，从而达到提高复合材料催化活性及稳定性的目标。所取得主要研究结果如下:
　　1.将CoSe2/DETA纳米带与CeO2纳米晶“化学嫁接”，制备了CoSe2/CeO2杂化纳米带。研究发现这种杂化纳米带不但具有原始CoSe2纳米带超薄、多层的结构特点，而且通过与其他粒子的相互作用可大大提高复合材料的催化性能。探讨了CoSe2纳米带与CeO2纳米晶结合后电子结构变化，并发现相比CoSe2纳米带，杂化材料的电化学催化活性和稳定性均有很大改善。由于CeO2/CoSe2杂化纳米带表面负载了富含氧空穴的CeO2纳米颗粒从而更易于吸附含氧基团等中间产物利于电催化析氧反应的进行，而且材料间的化学耦合作用改变了Co电子结构对于提高催化性能有很大贡献。
　　2.发展了CoSe2/碳点复合材料的制备方法。选择具有高比表面积的层状CoSe2/DETA纳米带为主体材料，将碳量子点引入到CoSe2/DETA纳米带合成过程中，使其参与成核生长，最终得到了一种新型CoSe2/碳点三维纳米球复合材料。由于半结晶态的碳点在CoSe2/DETA纳米带中的嵌入生长，改变了原始CoSe2/DETA纳米带的物相，得到一种正交相与立方相的混合物。研究发现新正交相结构的存影响了原始Co的配位数，从而改变材料的电子结构，有利于材料电催化析氢反应催化活性的提高;并且由于碳点的嵌入，复合材料的无序度增加降低了材料表面能，改善了材料的催化稳定性;此外，正交相结构CoSe2具有的特殊电子结构更利于电催化析氧反应的进行，因此这种CoSe2/碳点复合材料有望作为一种双功能的电催化水解催化剂。
　　3.发展了原位生长法制备三维碳纤维毡-CoSe2复合电催化析氢阴极材料。选择已规模商业化生产的碳纤维毡作为基底材料，在碳纤维表面原位生长CoSe2/DETA纳米带，获得一种三维电催化析氢阴极材料，这种宏观电极材料具备优异的电催化析氢活性（具有较高的交换电流密度5.9×10-2 mA/cm2，在较低过电势141 mV下即可达到10 mA/cm2）。在0.5 M硫酸溶液中经过30，000次循环测试后电流密度几乎没有变化，表现出突出的催化稳定性。
　　4.发展了一步合成法制备碳载铂钴镍三元合金纳米颗粒复合材料。研究表明经过高温退火处理后会形成一种表面富铂镍的核壳多元合金结构可大大提高铂原子的利用率。钴、镍过渡金属的引入将改变铂电子结构，减弱Pt与含氧中间产物间作用力从而提高了电催化氧还原活性。探讨了催化过程中合金材料的结构变化及对催化性能的影响。

目录

声明

摘要

第一章 廉价金属复合材料电催化剂设计与合成研究进展

1．1 引言

1．2 几种重要电化学反应相关催化剂设计研究进展

1．2．1 电催化活性参数

1．2．2 ORR反应电催化剂

1．2．3 OER反应电催化剂

1．2．4 HER反应电催化剂

1．3 碳基复合材料催化剂的设计研究进展

1．3．1 石墨烯复合材料催化剂

1．3．2 碳纳米管复合材料催化剂

1．3．3 纯碳复合材料催化剂

1．4 过渡金属硫族化合物复合材料催化剂研究进展

1．4．1 过渡金属硫族化合物与碳材料复合材料

1．4．2 过渡金属硫族化合物与金属氧化物复合材料

1．4．3 过渡金属硫族化合物与金属硫族化合物复合材料

1．5 本论文的选题背景和研究内容

参考文献

第二章 CoSe2-CeO2杂化纳米带的制备及性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料来源

2．2．2 实验方法

2．2．3 样品表征

2．2．4 电化学研究

2．3 结果与讨论

2．4 结论

参考文献

第三章 CoSe2-碳点复合纳米球的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料来源

3．2．2 实验方法

3．2．3 样品表征

3．2．4 电化学研究

3．3 结果与讨论

3．4 结论

参考文献

第四章 三维碳纤维毡-CoSe2复合材料的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料来源

4．2．2 实验方法

4．2．3 样品表征

4．2．4 电化学研究

4．3 结果与讨论

4．4 总结

参考文献

第五章 碳载少铂三元合金纳米催化剂的制备及性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验方法

5．2．2 样品表征

5．2．3 电化学研究

5．3 结果与讨论

5．4 总结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文、研究成果和获奖情况