發(fā)布時間：2020-11-22 07:06

　　 電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換和存儲是可持續(xù)新能源研究領(lǐng)域的核心技術(shù),高性能催化劑的設(shè)計和構(gòu)筑則是改善電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。金屬基納米材料的優(yōu)異本征催化特性使其成為近年來電化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。通過對金屬基納米材料合理設(shè)計,調(diào)控本征催化活性和活性位點數(shù)目以獲得高性能電催化劑,可以大大推動燃料電池和電化學(xué)分解水等電化學(xué)技術(shù)的發(fā)展。本論文通過金屬基納米材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控、成分調(diào)控、電子態(tài)調(diào)控等可控制備方法,顯著改善小分子醇氧化和分解水析氫等電催化反應(yīng)性能。主要內(nèi)容分為以下幾個部分:(1)通過調(diào)節(jié)反應(yīng)體系過飽和度,實現(xiàn)Au@Pd核殼納米棒表面形貌由(111)面島狀結(jié)構(gòu)向(100)面保形結(jié)構(gòu)可控轉(zhuǎn)變。測試表明,產(chǎn)物核殼納米棒與電催化乙醇氧化性質(zhì)間呈現(xiàn)明顯“結(jié)構(gòu)-性能”依賴關(guān)系;(2)通過一步溶劑熱法制備成分可調(diào)“之”字形Pt-Zn合金納米線。合金化配體效應(yīng)誘導(dǎo)的應(yīng)力、電子結(jié)構(gòu)調(diào)控使d軌道中心遠離費米能級,從而減弱催化劑對反應(yīng)中間毒化物種的吸附強度,提升其對甲醇/乙醇氧化的活性和穩(wěn)定性;(3)發(fā)展一種Zn2+誘導(dǎo)作用制備多枝狀Pt基納米材料的新方法,成功合成一系列Pt基納米多枝合金,包括Pt-Zn、Ni、Co、Fe。多枝結(jié)構(gòu)能暴露更多活性位點提升原子利用率,增強堿性電化學(xué)析氫性能;(4)利用空間限域策略制備一種金屬磷化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)。Co Mn P/無定形碳交聯(lián)結(jié)構(gòu)能提供更大活性面積,調(diào)控金屬活性位點電子結(jié)構(gòu)、優(yōu)化中間物吸附能,其堿性電化學(xué)析氫性能可媲美商業(yè)Pt/C。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O643.36;TB383.1
【部分圖文】：

建立環(huán)境友好型可持續(xù)能源循環(huán)體系是關(guān)系人類社會未來發(fā)展的重大議題[1-3]。過去幾十年間全球能源需求呈爆炸式增長。據(jù)估算,到2100年全球能源消耗量將是現(xiàn)在的三倍,達到54太瓦左右[4]。具有高能量密度優(yōu)勢的煤炭、石油、天然氣等化石燃料依然是當(dāng)今工業(yè)化經(jīng)濟社會能量供應(yīng)的首選,但這類不可再生資源的大量消耗不可避免地帶來環(huán)境與健康問題[5]。比如,化石燃料燃燒引起大量溫室氣體(如二氧化碳)排放導(dǎo)致環(huán)境變化、空氣污染、耕地退化和海洋酸化等問題,進而嚴重威脅人類未來發(fā)展[6]。此外,受卡諾循環(huán)制約,通過燃燒獲得能量的能源利用率很低,大部分在20%以下,造成嚴重的資源浪費。近年來,以電化學(xué)技術(shù)為核心的能源轉(zhuǎn)換與存儲受到人們的廣泛關(guān)注(圖1.1),其研究的是電能與化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換[1,7]。電催化反應(yīng)可以利用大氣中的水、二氧化碳、氮氣等資源生產(chǎn)經(jīng)濟社會所需的氫氣、碳基燃料、氨氣等化工原料;反過來,這些電催化產(chǎn)物又可以轉(zhuǎn)化成電能供人們使用,從而實現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展。在這其中,通過燃料電池和電化學(xué)分解水實現(xiàn)可再生能源轉(zhuǎn)換及存儲,為開發(fā)新型可持續(xù)清潔能源及高效利用體系并解決當(dāng)前環(huán)境污染和能源短缺等問題提供了有效手段[8-10]。1.1.1 燃料電池

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機將燃料分子化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化成機械能做功不同,燃料電池(Fuel Cells,FCs)是一種將燃料分子的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置,被譽為改變未來世界的十大科技之一[11-13]。其中,燃料分子在陽極發(fā)生氧化反應(yīng),氧氣作為氧化劑在陰極發(fā)生還原反應(yīng),共同組成燃燒總反應(yīng)。由于燃料電池不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的制約,因此理論上可實現(xiàn)接近100%的能量轉(zhuǎn)換效率[14]。高效的能量轉(zhuǎn)換效率能有效減少燃料的使用量,利于節(jié)約資源和減輕對環(huán)境的污染。燃料電池還能實現(xiàn)“功率-容量”之間的任意縮放,可以輕松建設(shè)“大到兆瓦級,小到數(shù)瓦級”的電力供應(yīng)裝置。這些優(yōu)點使燃料電池成為未來社會能量供給的潛在選擇之一[15]。燃料電池主要由陰極、陽極和電解質(zhì)三部分組成。根據(jù)所使用電解質(zhì)膜材料差異,燃料電池大致可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、堿性燃料電池(AFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、磷酸類燃料電池(PAFC)和固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)等[16],其工作原理大體相同。例如圖1.2展示的是一種典型的PEMFC示意圖,所發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)為:

該裝置以氫氣為陽極燃料,在氧化劑氧氣的作用下,氫氣在陽極發(fā)生氧化反應(yīng),生成氫質(zhì)子穿過交換膜最終生成水,這一過程產(chǎn)生電流對裝置做功用于發(fā)電。在PEMFC中,陽極和陰極的常用電極材料為Pt[17]。此外,以甲醇為燃料的DMFC,由于具有結(jié)構(gòu)簡單、工作溫度低和燃料易存儲等優(yōu)勢也受到廣泛關(guān)注[12,13]。其陽極反應(yīng)和總反應(yīng)為:如圖1.3所示,DMFC將氧氣作為氧化劑,甲醇分子發(fā)生氧化反應(yīng),這一過程對裝置做功產(chǎn)生電流[14]。在DMFC中,陽極電極材料常為PtRu[18]。
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 王成名;柏嵩;熊宇杰;;電催化劑設(shè)計中表面和界面工程的最新進展（英文）[J];催化學(xué)報;2015年09期

本文編號：2894322