镍基纳米材料的制备及电化学析氢性能研究
目录
摘要 ............................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................ I I 第一章绪论 .. (1)
1.1 引言 (1)
1.2 电解水制氢的意义 (1)
1.2.1 能源的现状 (1)
1.2.2 氢能的优点 (2)
1.2.3 氢气的制备方法 (3)
1.3 电解水的基本原理 (4)
1.4 析氢电化学基本理论及概念 (6)
1.4.1析氢过电势 (6)
1.4.2析氢动力学参数 (6)
1.5 析氢电极概述 (7)
1.5.1 金属与金属合金电极材料 (7)
1.5.2金属硫化物电极材料 (8)
1.5.3 金属磷化物电极材料 (12)
1.5.4 金属硼化物电极材料 (18)
1.5.5 金属碳化物电极材料 (18)
1.5.6 金属氮化物电极材料 (20)
1.6论文的整体构想及研究内容 (21)
第二章低温水相法合成镍纳米粒子及其电化学析氢性能研究 (23)
2.1引言 (23)
2.2 实验部分 (23)
2.2.1 试剂与原料 (23)
2.2.2 实验方法与仪器 (24)
2.2.3玻碳电极的预处理 (24)
2.2.4 Ni NPs/GCE的制备 (24)
2.3 结果与讨论 (25)
2.3.1 Ni NPs的结构表征 (25)
2.3.2 Ni纳米粒子修饰电极的电化学析氢性能测试 (27)
2.4 本章小结 (30)
第三章泡沫镍上生长的NiCoP NWs及其电化学析氢性能研究 (31)
3.1前言 (31)
3.2 实验部分 (31)
3.2.1 主要试剂和原料 (31)
3.2.2 实验方法与仪器 (32)
3.2.3 NiCoP NWs/Ni Foam纳米复合材料的制备 (32)
3.2.4 电极的制备及其电化学测试 (33)
3.3 结果与讨论 (34)
3.3.1 NiCoP NWs/Ni Foam 三维纳米复合材料的表征 (34)
3.3.2电化学实验 (40)
3.4 本章小结 (46)
第四章碳纤维纸上生长负载有NiP纳米片的NiCo2P2微米线的电化学析氢性能研究 (48)
4.1 前言 (48)
4.2 实验部分 (49)
4.2.1 化学试剂 (49)
4.2.2 实验方法与仪器 (49)
4.2.3 CFP/NiCo2P2微米线三维纳米复合材料的制备 (50)
4.2.4 CFP/NiP纳米片三维纳米复合材料的制备 (50)
4.2.5 CFP/NiCo2P2微米线/NiP纳米片三维纳米复合材料的制备 (50)
4.3 结果与讨论 (52)
4.3.1 CFP/NiCo2P2/NiP 三维纳米复合材料的表征 (52)
4.3.2 CFP/NiCo2P2/NiP 三维纳米复合材料的电化学实验 (55)
4.4 本章总结 (60)
参考文献 (62)
致谢 (83)
摘要
随着人类社会的发展，化石燃料严重被消耗，在未来的一个世纪里面世界将面临化石燃料大量消耗所带来的能源危机。所以开发新能源是我们亟待解决的问题。其中氢能具有原料储量丰富，无污染以及高热值等优点，有望成为替代化石燃料而解决能源危机。但是通过裂解水制备氢气所面临的问题是效率低，能耗大。光解水虽然具有能量来源广泛，目前存在效率低下的问题，限制了其大规模的发展。其中电解水的电能可以来源于水能，风能等可再生能源，是解决今后能源危机的一个途径。众所周知的是，在电解水析氢反应中，Pt系金属是最好的催化剂，但是其稀有性限制了其大规模应用的可能性。因此开发高效稳定且低花费的析氢催化剂将是当今研究的热点，也是难点。本论文围绕制备高效而稳定的非贵金属析氢催化剂做了以下三个方面的研究：
1.在氮气保护的条件下，通过在水相中低温，采用水合肼还原制备了Ni纳米粒子。并且将所制备的纳米材料作为电化学析氢电极材料。表现出了高效的电催化析氢以及很好的稳定性。该方法的优点是低温，水相反应。为大规模的生产提供了可能。
2.以泡沫镍为基底，通过水热法在泡沫镍上生长了碱式碳酸钴盐的纳米线。然后在管式炉中以次亚磷酸钠为磷源，采用低温磷化的方法制备了NiCoP纳米线。并且发现掺入了Ni元素的Co2P纳米线纳米尺寸上表现直径更小，长度更短。而且所表现出来的电化学析氢性能也更好。只需要施加118 mV的过电位就可以获得-10 mA/cm2的电流密度。而且在稳定的电压下持续运行48 h，电流密度几乎没有损失。
3.有研究表明直径更大，长度更长的微米线更有利于电解水催化析氢，故我们采用酸碱稳定的碳纤维纸为基底，通过水热反应制备直径更大，长度更长的碱式碳酸盐微米线，然后利用电沉积的方法在微米线上生长氢氧化镍纳米片，将所制备的复合结构在管式炉中采用低温磷化的方法制备为NiCo2P2微米线上生长有NiP纳米片的三维结构。将其应用于酸性介质中电解水析氢，表现出了高效的性能，仅仅为48 mV/dec 的Tafel斜率。
关键词：电解水析氢，水热法，低温磷化，纳米线，过渡金属磷化物。
研究生：刘涛专业：分析化学
导师：卢小泉教授研究方向：纳米材料
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