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周期性电极设计及其在析出气体反应中的应用

周期性电极设计及其在析出气体反应中的应用

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作者：张英北京化工大学

学位级别：硕士

现在化石燃料的消耗越来越严重,能源问题是全球主要迫切要解决的问题,而氢能是一种可替代的清洁能源,被大家持续关注着。那么如何高效制备氢能成为了大家关注的热点。电解水作为制备氢能的主要来源途径,也是最成熟的一种方法,国内外的... 详细信息

现在化石燃料的消耗越来越严重,能源问题是全球主要迫切要解决的问题,而氢能是一种可替代的清洁能源,被大家持续关注着。那么如何高效制备氢能成为了大家关注的热点。电解水作为制备氢能的主要来源途径,也是最成熟的一种方法,国内外的研究工作者也在本研究工作中有了很大的进展与发现。有气体参与的电催化反应是电荷驱动的气体分子为产物或者原料的催化反应。其中气体作为生成物的电催化反应被称为析出气体反应,同样的气体作为反应物参与反应的电催化反应为气体吸收反应。现在我们急需解决的问题是如何提高这些电催化反应的反应效率,人们都寻找一种新型的催化剂材料来提高反应效率,本论文基于电解水制备氢气,研究了在原有的材料基础上,改变催化材料的表界面结构,开发了表面周期性设计的催化材料以及其在析出气体反应中的应用。具体的工作和研究成果如下:第一,受防冻装置的原理激发,水滴的融合释放的表面能会克服水滴的重力和水滴与材料表面的粘附力而发生自跳跃,那么本论文研究了气泡的融合所释放的表面能克服粘附力而实现气泡的快速析出。并进一步进行了电极浸润性的测试研究,包括粘附力与接触角的测试。第二,基于毛细微模型法制备出周期性的二硫化钼催化材料(表面的周期性结构尺寸分别是凸起不变,均为10 μm;凹槽分别是20 μm、40 μm、60 μm以及80 μm),二硫化钼电催化材料在析出气体的反应中虽然已经有了成熟的应用,但本论文将其表面结构化设计,探究催化反应中电极材料表面尺寸结构对于催化效率的影响。发现表面结构的尺寸不同,会影响材料的粘附力以及气泡的融合,从而影响催化效率。第三,析出气体的电催化反应有一个共同的问题,即当气泡大量的产生,如果不能快速离开电极表面,会使电极表面与电解液不能很好地接触,降低电催化反应的效率。为了解决这一问题,通过将制备出的二硫化钼周期性材料作为电极,在高速摄像机的原位拍摄下,观察研究本结构对于气泡析出的影响,统计大量结果得出规律。对比析出气泡的尺寸统计结果以及相应的析出气体反应的电催化性能,其中均衡凹槽为40 μm的电极表面结构对于气泡析出的大小尺寸和粘附力的双重影响,它的电化学性能表现出了最优的状态。

关键词：析氢反应图案化电极毛细微模型表面能气泡析出

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