金基阳极析氧催化剂的制备及性能研究

作     者：刘林 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵强

授予年度：2018年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：金基催化剂 电解水 析氧 电沉积 

摘      要：氢能作为绿色、清洁的二次能源,具有来源广泛、燃烧热值高等优点,是理想的能源载体。电解水制氢是目前发展较为成熟的一种制氢技术,其设备操作简单、产物纯净无污染,是最具有发展前景的技术。但是电解水制氢存在着能耗高、效率低等问题,极大的限制了该技术的发展。电解水制氢是一个四电子转移过程,其中阳极析氧反应是速率控制步骤,因此制备高效的阳极析氧催化剂,是降低能耗实现大规模工业化电解水制氢的关键。金纳米材料由于其独特的电子结构、尺寸效应以及高分散特性受到研究者们的广泛关注。目前金在电解水领域的应用主要是用作基底材料或是负载型纳米颗粒,作为助催化剂与金属氧化物之间实现协同催化,但是利用原位电沉积制备金的氧化物作为电解水析氧催化剂的研究较少。本文通过调节电解质溶液的浓度和pH,引入氯化金钾金属前驱体,采用恒电位法首次实现了金基阳极析氧催化剂的原位制备,并将其作为基底材料,对钴镍、镍铁进行改性。通过XRD、SEM、TEM、EDS、XPS等测试手段对催化剂的结构、形貌、组成及价态进行系统的分析,采用电化学测试方法考察其析氧性能及稳定性。主要研究内容如下:1.在四硼酸钾体系中,通过调节缓冲溶液的浓度和p H,引入氯化金钾前驱体,采用恒电位法成功制备出新型的金基阳极析氧催化剂。通过一系列表征确定催化剂的活性组分主要是Au(III)的氧化物。通过对催化剂的沉积库仑量的考察,确定了催化剂的最佳沉积量,该条件下的催化剂在0.1 M KPO中最高电流密度为6.5 mA/cm,1 mA/cm处的析氧过电位是315 mV,塔菲尔斜率为43.5 mV/dec,法拉第效率为90.43%。2.以金基阳极析氧催化剂为基底材料,利用电势脉冲成功制备出CoNi@Au复合催化剂,并通过初步表征其为无定形结构。结果表明,基底的存在会对上层金属的形貌和电子结构产生影响,从而进一步影响复合催化剂的催化性能,实现协同催化,显著地的提高了CoNi的电流密度,并降低了其过电位。3.利用电流脉冲成功制备了NiFe@Au复合催化剂,提高了NiFe的催化水氧化性能。最佳制备条件下的NiFe@Au复合催化剂在0.1 M KPO溶液中,1.105 V(vs.Ag/AgCl)的外加电压下,其最高电流密度为8.7 mA/cm,与NiFe合金相比电流密度提高了2.3 mA/cm。