生物質(zhì)碳基復(fù)合電極的制備及性能研究.pdf

1、開發(fā)和生產(chǎn)可再生的清潔能源是21世紀(jì)人類面臨的一大挑戰(zhàn)。電解水制氫因具有高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為人們解決這一問(wèn)題的重要途徑。然而，電解水過(guò)程中的氧析出反應(yīng)(OER)由于具有較高的陽(yáng)極過(guò)電位，造成能量的浪費(fèi)，成為電催化水分解過(guò)程中的瓶頸。電極材料性能的好壞決定了整個(gè)水分解反應(yīng)效能的優(yōu)劣，而電極材料催化劑的選擇決定過(guò)電位的大小。因此開發(fā)一個(gè)低過(guò)電位、低成本、高效、環(huán)保的析氧催化劑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文以生物炭為基底，在其上負(fù)載幾種

2、過(guò)渡金屬及其氫氧化物，通過(guò)表面表征和電化學(xué)表征等方法，探究了不同生物炭負(fù)載過(guò)渡金屬的氧析出催化性能。主要包括以下幾個(gè)方面:
　　1、生物炭析氧材料的制備及表征。生物炭材料來(lái)源廣泛，制作成本低，而且具有較高的比表面積，因而具有很廣泛的應(yīng)用前景。本章將梧桐絮(Floc)、棉花(Cotton)、頭發(fā)(Hair)等三種生物質(zhì)進(jìn)行兩次煅燒形成生物炭，通過(guò)SEM，XRD，BET等方法進(jìn)行表征，電鏡結(jié)果表明，梧桐絮生物炭為中空的微米管，棉花生物

3、炭為絲狀纖維，頭發(fā)生物炭為類層狀堆疊的不規(guī)則塊狀，氮?dú)馕摳綄?shí)驗(yàn)表明，棉花與梧桐絮生物炭具有較大的比表面積和相對(duì)集中的孔徑分布，比表面積分別為1345.0 m2/g和1050.7 m2/g，相應(yīng)的孔體積分別為0.64 cm3/g，0.49 cm3/g，XRD結(jié)果顯示這三種生物炭均為無(wú)定形碳。電化學(xué)表征結(jié)果顯示由于碳材料的化學(xué)惰性，以及碳結(jié)構(gòu)孔徑分布單一造成電子傳遞效率慢等原因，所制備的生物炭析氧特性不佳，因而有必要對(duì)其進(jìn)行改性。

4、　　2、過(guò)渡金屬摻雜生物炭作為析氧材料的性能實(shí)驗(yàn)。過(guò)渡金屬因?yàn)榫哂辛己玫睦碚撐鲅跆匦裕瑑?chǔ)量豐富，便宜環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用為析氧催化劑，但是單純的金屬及其氧化物比表面積較小且穩(wěn)定性較低。生物炭材料比表面積大，且化學(xué)惰性常被用作基底材料，以改善負(fù)載材料易團(tuán)聚、比表面積小等缺點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)以三種生物炭為基底，將過(guò)渡金屬Co和Ni依次通過(guò)熱堿法和600℃高溫煅燒的方法，合成鈷負(fù)載碳復(fù)合材料和鎳負(fù)載碳復(fù)合材料。通過(guò)SEM，XRD，BET和電化學(xué)等方法

5、進(jìn)行表征，XRD結(jié)果說(shuō)明在合成過(guò)程中金屬離子被還原為金屬單質(zhì)。BET結(jié)果表明，當(dāng)摻入過(guò)渡金屬后，由于金屬單質(zhì)的聚集使材料的孔隙減少，造成材料的比表面積降低，但材料的孔結(jié)構(gòu)分布變豐富，增加了材料的電子轉(zhuǎn)移能力，使其OER性能大幅度增加。在所有材料中，Co-Floc展現(xiàn)出最小的析氧過(guò)電位(490 mv)，但運(yùn)行10000 s后，材料的穩(wěn)定性降低。
　　3、金屬氫氧化物/雙金屬生物炭復(fù)合材料析氧性能的研究。Ni(OH)2是鎳基析氧催化劑

6、的研究方向之一，Ni(OH)2具有優(yōu)秀的催化特性，但穩(wěn)定性欠缺。具有優(yōu)良特性的析氧材料常被相互結(jié)合以進(jìn)一步提高性能，這給雙金屬催化劑的出現(xiàn)的提供了契機(jī)。本章節(jié)以NaOH為沉淀劑，尿素為共沉淀劑，合成Ni(OH)2，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)尿素與Ni的比例為1∶1時(shí)，催化效果最佳。將最佳性能的Ni(OH)2與生物炭相復(fù)合，發(fā)現(xiàn)采用加熱形式形成的復(fù)合材料的析氧電位為1.888V。采用Ni-Co和Fe-Co兩種組合方式，采用熱堿法，將其分別負(fù)載在棉花和梧桐絮