水裂解體系陽極納米材料的制備及其催化性能的研究.pdf

1、世界能源市場主要依賴于化石燃料的供應(yīng)。到本世紀(jì)末，全球能源需求量預(yù)計(jì)將會增至當(dāng)今的三倍。由于它的不可再生性和其燃燒產(chǎn)物的污染性，使得尋找和發(fā)展新型的可再生清潔能源這一任務(wù)迫在眉睫。氫氣是一種無毒無害、高天然豐度的可再生燃料，與其它碳?xì)淙剂舷啾?，每單位質(zhì)量的氫具有更大的內(nèi)能，且燃燒過程和產(chǎn)物對環(huán)境均無任何污染，因此它被視為最有潛力的傳統(tǒng)燃料的替代者。風(fēng)能和太陽能等作為自然界生而有之的一次能源，由于晝夜交替和氣候變化所帶來的不穩(wěn)定性，會給能

2、源系統(tǒng)引入不可預(yù)知的負(fù)載安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，選擇合適的途徑將它們轉(zhuǎn)換為二次能源——?dú)淠?，是至關(guān)重要的一步。（光）電解水制氫被認(rèn)為是生產(chǎn)超純氫氣的環(huán)境友好型途徑。就反應(yīng)物而言，水的來源豐富易得;就產(chǎn)物而言，氫氣燃燒后產(chǎn)生的水，又可作為裂解水產(chǎn)氫的反應(yīng)物循環(huán)使用?？梢哉f這一方法包含了最多的可持續(xù)步驟。本文致力于發(fā)展新的、簡便的合成策略來制備（光）電解水制氫的高效陽極材料，通過先進(jìn)的表征手段來探究它們的形貌并進(jìn)行詳細(xì)的元素分析。我們設(shè)計(jì)并完成了如

3、下工作:
　　(1)電解水制氫的過程中，陽極的氧析出反應(yīng)(oxygen evolution reaction，OER)是動(dòng)力學(xué)較為緩慢的步驟，因?yàn)樵摲磻?yīng)需要四電子參與，并涉及到O-H鍵的打破和O-O鍵的形成，它嚴(yán)重地限制了析氫效率的進(jìn)一步提升。而作為具有優(yōu)越催化性能的氧析出催化劑——IrO2和RuO2等，因其來源稀缺、價(jià)格昂貴及失活較快等因素限制了它們的實(shí)際應(yīng)用?；谝陨峡紤]，我們以儲量豐富的過渡金屬化合物作為研究對象，通過一種全

4、新的簡便合成策略，在室溫下對乙酸Co基氫氧化物金屬有機(jī)框架(acetate hydroxide metal-organic frameworks，AHMOFs)前驅(qū)物進(jìn)行液相分解，制備了二維Co基氫氧化物超薄納米片(hydroxide ultrathinnanosheets,HUNSs)。分解過程無需額外的剝離劑參與，只需加入KOH水溶液使氫氧根取代MOFs上的醋酸根，而水分子和釋放的醋酸根作為現(xiàn)成剝離劑進(jìn)行原位插層剝離，通過充分的超聲

5、反應(yīng)進(jìn)而得到HUNSs。得益于該法較高的組分可控性和操作性，Co、CoZn及CoNi HUNSs已被成功制得，其中，CoNi HUNSs展現(xiàn)出最高的氧析出反應(yīng)催化活性，優(yōu)于商業(yè)IrO2納米顆粒，且其在1.58 V(vs.RHE)的恒電位下也具有最佳的催化氧析出反應(yīng)的穩(wěn)定性。
　　(2)進(jìn)一步地，我們通過引入可見光，完成光能到電能再到化學(xué)能（氫能）的轉(zhuǎn)變，借此探究一次能源到二次能源的有效轉(zhuǎn)換途徑。我們設(shè)計(jì)了具有等離子體效應(yīng)的納米多孔

6、金/CdS納米異質(zhì)結(jié)(NPG/CdS nano-heterojunction，NPG/CdSNHJ)作為光電化學(xué)析氫系統(tǒng)的光陽極材料。通過簡單易控的原位自組裝電化學(xué)合成法，在NPG薄膜表面恒電流沉積了以其骨架為導(dǎo)向生長而成的共形CdS納米層。該NHJ是以高導(dǎo)電率且具有三維雙連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)的NPG作為基底，為載流子提供高質(zhì)量的傳輸通道，加之其內(nèi)部發(fā)生著強(qiáng)烈的等離子體-激子相互耦合效應(yīng)，可以說NPG/CdS NHJ是一個(gè)將宏觀和微觀性質(zhì)進(jìn)行有