基于氧等离子体处理WS2的微纳器件组装与电催化性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

近年来,我国区域性大气污染问题日益突显,清洁能源与绿色发展成为社会关注的热点话题。随着对化石燃料需求的持续增长和全球环境的不断恶化,开发利用清洁能源、推进能源调整、建立清洁低碳安全高效的能源体系愈发重要。在太阳能、风能、氢能、生物能等清洁能源中,氢能具有自身独特的优势。氢能被称为21世纪最清洁的能源,因其丰富的资源、可再生性、高能量密度和能量转换过程无污染等而具有广泛应用的前景[1]。发展氢能首先要解决的是氢气的生产问题。目前制备氢气的方法有很多,如化石燃料制氢、微生物制氢、光催化制氢和电解水制氢等。其中,电解水制氢是最高效可行的制氢方法并且已经在工业大规模生产上得到了广泛应用。然而,电解水制氢也存在能耗高、成本贵等缺点。因此,寻找高效、廉价的析氢催化剂来降低析氢过电位从而减少对电能的消耗,对促进氢能的发展以及能源、环境、经济的协调发展具有重要意义。

电解水制氢利用在正负电极间施加电压,在阴极和阳极上分别发生析氢反应(her)和析氧反应(oer),从而在阴极上制得氢气。在标准大气压和温度下,水的理论分解电压为1.230 v。但在实际工作中电极电位会发生极化,所以即使外加催化电位达到理论电位,电极反应速率仍然很慢。在实际过程中要让反应朝着水分解的方向快速进行,需要提供一个高于理论电压的工作电压。这个工作电压与水分解的理论电压的差值即为析氢过电位。传统贵金属如铂、钯等是优秀的电解水制氢催化剂,有着较低的析氢过电位,然而其稀少的储存量和昂贵的价格限制了其工业化大规模应用。

大量的研究表明,过渡金属二硫属化合物(tmds)是一类非常有发展前景的电解水电催化剂[2-4]。硫化物中,层状二硫化钼(mos2)催化剂因其较高的电催化反应活性已经得到了广泛的研究。但mos2因较低的电导率和较少的表面活性位点而表现出较高的过电位和塔菲尔斜率。通过实验和计算,b. hinnemann等人[5, 6]提出mos2的析氢催化活性位点主要集中在层状结构边缘的不饱和硫钼位点。通过组成和结构的调控,这类化合物可以在具备较小的析氢过电位的同时在酸性介质中稳定存在。chhowalla等人[7]通过转变材料的相结构,即将半导体性的2h mos2转变成金属性的1t mos2,发现材料导电性和催化活性大幅度提升。而voiry, d等人[8]也通过实验证明,除了边缘具备催化活性,1t mos2材料的底面也具备一定的催化活性。li等人[9]2016年提出mos2中的硫空位也对材料催化析氢性能有一定影响。二硫化钨(ws2)具备和mos2相似的结构,并且两者在物化性质上具有一些共同的特点。cheng等人[10]利用一种高温液相法合成出的超薄单层ws2材料具备约100mv的析氢过电位和48 mv/decade的塔菲尔斜率,在催化性能和稳定性等方面都可以和已经得到广泛研究的mos2材料相比。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

(1)材料制备:通过基于胶带的微机械剥离法或化学合成得到大块的超薄纳米片,在本研究中即为制备ws2纳米片。

(2)器件组装:将上述材料利用紫外光刻、电子束刻蚀、热蒸镀等方法组装成基于硅基板的单纳米片器件。

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3. 研究计划与安排


第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-5周:按照设计方案,制备ws2纳米片材料,并构筑单纳米片电化学器件。

第6-10周:采用xrd、sem、raman spectrum、cv、eis、iv等测试技术对氧等离子体刻蚀前后材料的物相、显微结构、电化学性能进行测试。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] morales-guio c g, stern l a, hu x.nanostructured hydrotreating catalysts for electrochemical hydrogenevolution[j]. chemical society reviews, 2014, 43(18): 6555-6569.

[2] yan y, xia b y, xu z, et al. recentdevelopment of molybdenum sulfides as advanced electrocatalysts for hydrogenevolution reaction[j]. acs catalysis, 2014, 4(6): 1693-1705.

[3] gao m r, liang j x, zheng y r, et al. anefficient molybdenum disulfide/cobalt diselenide hybrid catalyst forelectrochemical hydrogen generation[j]. nature communications, 2015, 6: 5982.

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