基于磁控溅射制备的电催化剂及其合成氨的研究

作     者：李绍雄 

作者单位：西华师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙旭平

授予年度：2022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] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：电催化剂 氨气合成 氮气还原 亚硝酸盐还原 磁控溅射 

摘      要：氨气(NH)作为一种活性的氮构建块,用于化肥、塑料、染料和药物的生产。目前,NH主要通过Haber-Bosch(HB)工艺在工业上大规模生产,该工艺以氮气和甲烷转化的氢为原料,能耗高,温室气体排放超标。以水为质子源的环境条件下电催化N还原反应(NRR)是HB工艺的一种有前景的绿色可持续合成NH替代方法,但该反应需要高效的电催化剂来裂解N以及对抗竞争性的析氢反应(HER)。贵金属是NRR的活性催化剂材料,然而高成本和稀缺性极大地限制了它们的大规模应用。因此,人们的注意力集中在设计和开发地球资源丰富的替代物上。亚硝酸根离子(NO)作为全球氮循环中重要的中间产物,广泛存在于水和土壤中,是世界上最危险、最有害的污染物之一。环境条件下电催化NO还原反应(NORR)被认为是一种将NO污染物转化为其他还原产物的简单、原位途径,其中NH作为一种不可缺少的化工商品和无碳替代燃料对许多工业过程和人类生活至关重要。因此,利用NO污染物来生产增值的NH是非常有前景且必要的,但是仍需要具有高活性和选择性的先进电催化剂。陶瓷化合物具有较高的导电性以及耐腐性,并且在地球上储备丰富,但却难以用化学方法制备。磁控溅射技术作为一种简单、通用、绿色的物理气相沉积方法,制备的溅射纳米结构因其丰富的结构和形态特征而表现出优异的电化学性能,在促进反应动力学方面具有巨大的潜力。本论文重点研究了基于磁控溅射制备的电催化及其合成氨气的应用,研究内容的要点如下:1.通过磁控溅射制备的非晶型碳化钨(WC)薄膜是一种优异的NRR电催化剂,并且具有良好的稳定性和选择性。该催化剂可获得43.37 mg h mg的NH产量和21.65%的法拉第效率。此外,非晶型WC薄膜催化剂具有很强的耐久性。2.磁控溅射法制备的硼化钛(TiB)薄膜是一种高活性、超稳定的NRR电催化剂,其NH产量为1.75×10 mol s cm,法拉第效率为11.37%。密度泛函理论计算表明,带正电荷的Ti原子有利于N的吸附、活化和氢化,同时抑制了HER。3.实验证明ITO@TiO纳米阵列是一种极好的三维NORR电催化剂,具有高度暴露的活性位点,快速的反应物扩散,以及足够的表面电解液接触来生产NH。在环境条件下,其NH产量为411.3μmol h cm,FE为82.6%。此外,在长时间的电解试验中,ITO@TiO/TP能够高效、稳定地催化NORR。基于ITO@TiO作为正极的Zn-NO电池能够降解亚硝酸盐,合成NH,并且释放能量。