納米陣列超疏氣電極在析氣反應(yīng)中的應(yīng)用.pdf

1、能源衰竭已經(jīng)成為當(dāng)今世界上困擾人類的主要難題之一，傳統(tǒng)的一次能源由于其不可再生性以及能量轉(zhuǎn)換效率低等原因，已不能滿足日益增長(zhǎng)的各種耗能體系的需求。尋找和開(kāi)發(fā)替代一次能源的新型能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以及如何更高效率的利用環(huán)境友好的新型清潔能源是當(dāng)前研究的重點(diǎn)所在。在眾多能源轉(zhuǎn)換體系中，析氣反應(yīng)是一個(gè)龐大且重要的分支，其中氫氣析出反應(yīng)、氧氣析出反應(yīng)及氯氣析出反應(yīng)作為典型的析氣反應(yīng)，是化工產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分:電解水體系作為一種能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是獲

2、取清潔能源氫氣與氧氣的主要手段，氯堿體系則是得到重要化工原料——氯氣、氯酸鹽和燒堿等——的主要手段。如何有針對(duì)性的對(duì)析氣反應(yīng)設(shè)計(jì)制備相應(yīng)的新型催化劑，以降低能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能耗，提高電解效率，是目前的研究重點(diǎn)。對(duì)于電解水體系，目前大部分的催化劑都只是集中于單級(jí)催化劑的研究，大多數(shù)催化劑都只能在一種環(huán)境中（酸性或堿性電解液）穩(wěn)定存在，為了節(jié)約成本，發(fā)展可以在一種工作環(huán)境中同時(shí)電解水生成氫氧氣的新型雙功能催化劑便顯得至關(guān)重要。而對(duì)于氯堿體系

3、陽(yáng)極端，目前工業(yè)上使用的釕鈦氧化物涂層電極由于在制備過(guò)程中，表面不可避免的龜裂形貌對(duì)電極活性造成了較大影響，而大部分科研工作者研究重點(diǎn)均為對(duì)活性涂層中組分進(jìn)行不同元素的摻雜，對(duì)電極形貌的調(diào)控工作報(bào)道的較少，同時(shí)對(duì)于上述三種氣體析出反應(yīng)，大多數(shù)平面及粉末狀電極還面臨著較嚴(yán)重的“氣泡效應(yīng)”影響。綜上所述，針對(duì)不同的析氣反應(yīng)，制備具有高本征活性與弱“氣泡效應(yīng)”的納米結(jié)構(gòu)超疏氣電極是十分有必要的。因此，面對(duì)以上問(wèn)題，本論文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行

4、了研究:
　　1、通過(guò)兩步法合成了表面多孔的鎳鐵氮化物納米片陣列電極，并探究了其作為雙功能催化劑電解水的電化學(xué)活性。首先利用溫和的水熱合成法在泡沫鎳基底上得到鎳鐵水滑石納米片陣列，作為氮化反應(yīng)的前驅(qū)物，之后在氨氣環(huán)境中將前驅(qū)物做氮化處理，得到鎳鐵氮化物納米片陣列。得到的納米片表面呈現(xiàn)多孔形貌，增大了其活性比表面積，氨氣的還原作用使產(chǎn)物中Ni元素部分呈現(xiàn)零價(jià)態(tài)，金屬態(tài)的存在對(duì)電催化析氫活性做出了一定貢獻(xiàn)。進(jìn)一步的電化學(xué)測(cè)試表明，這種

5、鎳鐵氮化物納米片陣列電極在堿性電解液中具有很好的OER與HER催化活性，起峰過(guò)電位很小且工作穩(wěn)定性較高，同時(shí)該電極對(duì)氣泡粘附力較低，具有超疏氣特性，緩解了OER與HER過(guò)程中“氣泡效應(yīng)”對(duì)反應(yīng)的影響。將該電極同時(shí)作為陰陽(yáng)極全電解水時(shí)，性能與穩(wěn)定性均優(yōu)于Pt‖Ir/C組成的電解水系統(tǒng)。
　　2、利用水熱法與電沉積法制備得到了釕鈦氧化物納米片陣列電極，并探究了其作為氯氣析出反應(yīng)催化劑的電化學(xué)活性。首先以金屬鈦片為基底，在堿性環(huán)境中利用

6、水熱法得到鈦酸鈉納米片陣列，之后進(jìn)行一次煅燒得到二氧化鈦納米片陣列。接著利用電沉積的方法在二氧化鈦納米片表面包覆一層金屬釕，最后進(jìn)行二次煅燒得到核殼結(jié)構(gòu)的釕鈦氧化物納米片陣列。對(duì)得到的產(chǎn)物進(jìn)行氣泡粘附力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該電極具有很好的超疏氣特性，相比于平面型電極可大大緩解反應(yīng)過(guò)程中的“氣泡效應(yīng)”，進(jìn)一步的電化學(xué)測(cè)試表明該催化劑可大幅度提高氯氣析出反應(yīng)速率，超疏氣電極的表面形貌也為穩(wěn)定其工作狀態(tài)做出了極大貢獻(xiàn)。同時(shí)，制備了表面具有不同密度納米片