生物質碳基復合電極的制備及性能研究.pdf

1、開發(fā)和生產可再生的清潔能源是21世紀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)點成為人們解決這一問題的重要途徑。然而，電解水過程中的氧析出反應(OER)由于具有較高的陽極過電位，造成能量的浪費，成為電催化水分解過程中的瓶頸。電極材料性能的好壞決定了整個水分解反應效能的優(yōu)劣，而電極材料催化劑的選擇決定過電位的大小。因此開發(fā)一個低過電位、低成本、高效、環(huán)保的析氧催化劑具有重要的現實意義。
　　本文以生物炭為基底，在其上負載幾種

2、過渡金屬及其氫氧化物，通過表面表征和電化學表征等方法，探究了不同生物炭負載過渡金屬的氧析出催化性能。主要包括以下幾個方面:
　　1、生物炭析氧材料的制備及表征。生物炭材料來源廣泛，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用前景。本章將梧桐絮(Floc)、棉花(Cotton)、頭發(fā)(Hair)等三種生物質進行兩次煅燒形成生物炭，通過SEM，XRD，BET等方法進行表征，電鏡結果表明，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，氮氣吸脫附實驗表明，棉花與梧桐絮生物炭具有較大的比表面積和相對集中的孔徑分布，比表面積分別為1345.0 m2/g和1050.7 m2/g，相應的孔體積分別為0.64 cm3/g，0.49 cm3/g，XRD結果顯示這三種生物炭均為無定形碳。電化學表征結果顯示由于碳材料的化學惰性，以及碳結構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，因而有必要對其進行改性。

4、　　2、過渡金屬摻雜生物炭作為析氧材料的性能實驗。過渡金屬因為具有良好的理論析氧特性，儲量豐富，便宜環(huán)保等優(yōu)點，廣泛應用為析氧催化劑，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，且化學惰性常被用作基底材料，以改善負載材料易團聚、比表面積小等缺點。本實驗以三種生物炭為基底，將過渡金屬Co和Ni依次通過熱堿法和600℃高溫煅燒的方法，合成鈷負載碳復合材料和鎳負載碳復合材料。通過SEM，XRD，BET和電化學等方法

5、進行表征，XRD結果說明在合成過程中金屬離子被還原為金屬單質。BET結果表明，當摻入過渡金屬后，由于金屬單質的聚集使材料的孔隙減少，造成材料的比表面積降低，但材料的孔結構分布變豐富，增加了材料的電子轉移能力，使其OER性能大幅度增加。在所有材料中，Co-Floc展現出最小的析氧過電位(490 mv)，但運行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合以進一步提高性能，這給雙金屬催化劑的出現的提供了契機。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)現當尿素與Ni的比例為1∶1時，催化效果最佳。將最佳性能的Ni(OH)2與生物炭相復合，發(fā)現采用加熱形式形成的復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，將其分別負載在棉花和梧桐絮