Co/Mo 双金属基纳米结构的构筑及电催化 析氢/析氧性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

由于科技的进步,人口的激增,地球蕴藏的有限的化石能源被大量消耗,环境污染急剧恶化,人类社会面临越来越严峻的能源与环境问题,而可再生绿色清洁能源的开发为上述问题提供了行之有效的解决方法,具有十分重要的意义。风能、太阳能、潮汐能等都是新型的清洁能源,也都已经得到了一定程度的开发利用,但其对周边环境以及地理位置的苛刻要求使得这些能源的开发始终受到较大的限制。氢能作为一种新型清洁能源,其来源广泛,热值高而且燃烧无污染,因此成为近年来可再生清洁能源的研究热点。目前,工业制氢主要是通过传统化石能源与水蒸气在高温下反应生成氢气和一氧化碳,这种制备方式存在严重的缺陷:首先,这种方法得不到纯净的氢气,其次,在制备过程中产生了有毒气体一氧化碳,而且其本质上还是在消耗化石能源来获得氢气,并不能做到环境友好和可持续发展。而电解水能够产生纯净的氢气,氢气燃烧之后只会生成水,对环境可以做到友好无污染。

电解水的过程包括阴极的产氢过程(hydrogen evolution reaction,her)和阳极的产氧过程(oxygen evolution reaction,oer),上述过程涉及一步或多步电子转移,每个电子转移都需克服一定的活化能:产氢的实际反应电位与理论电位相差较小,能量消耗少;产氧的实际电位与理论电位相差较大,在动力学上需要克服较大的能垒,从而减慢了反应速率,能量消耗大。因此,如果电解水制氢想要实现有效的工业推广,获取高效的析氢/析氧电催化剂将必不可少。

目前,高效的析氢催化剂有pt及其合金,高效的析氧催化剂有ir、ru及其氧化物,但上述催化剂价格高昂,资源匮乏,其广泛应用受到限制。因此开发能代替贵金属的稳定、高效、低成本的析氢/析氧电催化剂具有十分重要的意义。过渡金属氧化物及其衍生物,由于具有丰富的储量、较高的活性、易于调控的位点,在电催化领域受到了较为广泛的研究。天艳课题组通过简单的静电纺丝结合后续的热处理技术,制备了一种新型的多缺陷、s丰富、超薄的mos2纳米片嵌入一维氮掺杂碳纳米纤维的复合材料mos2/ncnfs,该复合材料展现出优异的析氢性能,在电流密度为10 ma cm-2 时,获得极小的过电位(135 mv),较小的塔菲尔斜率(48 mv dec-1)以及较好的稳定性。cui课题组制备了一系列的过渡金属二硫属化合物膜 (fese2、cose2、nise2),并进行了析氢活性研究,发现cose2的催化活性是最好的。这些化合物属于立方黄铁矿型或斜方玄武岩型结构,金属原子与se原子链接成八面体形状。eg带被部分填充可能是cose2具有高析氢活性的原因。还有研究表明,cose2 在析氢、析氧反应方面均展现出很好的催化活性。董绍课题组合成了氮掺杂碳包裹γ-mo c/ni异质结构,并将其应用于电催化析氧反应,复合物呈现分级多孔的纳米结构,增大了比表面积,暴露出更多的活性位点。作为析氧催化剂,该材料表现出优异的电催化活性,如快速的反应动力学、较低的过电位和良好的稳定性。有鉴于此,本论文选择了地球储量丰富、价格低廉同时外层电子易于调控的co/mo过渡金属作为研究对象,希望通过调控co/mo基纳米材料的结构,实现高效的电催化(析氢/析氧)活性,并结合原位表征技术和理论计算揭示材料的本征催化机理。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究内容

材料制备:结合水热和气氛烧结构筑co/mo双金属基纳米结构。


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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,完成开题报告。

第4-8周:按照设计方案,利用优化的水热溶剂热工艺,控制适当的反应温度、反应时间、反应浓度,完成co/mo双金属基纳米结构的可控构筑。

第9周:利用xrd(x射线衍射)、sem(扫描电子显微镜)、透射电子显微镜(tem)、x射线光电子能谱(xps)、拉曼光谱(raman)等手段对材料进行物相、形貌、元素状态、价键振动等进行表征。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] zhang b, zheng x, voznyy o, et al. homogeneously dispersed multimetal oxygen-evolving catalysts [j]. science, 2016, 352: 333-337.

[2] kanan m w, nocera d g. in situ formation of an oxygen-evolving catalyst in neutral water containing phosphate and co2 [j]. science, 2008, 321: 1072-1075.

[3] zhang p, li l, nordlund d, et al. dendritic core-shell nickel-iron-copper metal/metal oxide electrode for efficient electrocatalytic water oxidation [j]. nature communications, 2018, 9: 381.

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