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等离子体处理的泡沫金属负载非贵金属硫化物的析氢材料及其性能研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 新型能源的研究现状

1.1.1 新能源氢能

1.1.2 新能源氢能的制备

1.2 析氢阴极材料的研究现状

1.2.1 贵金属及其氧化物

1.2.2 铁及铁基合金材料

1.2.3 镍及镍基合金材料

1.3 析氢材料的制备方法

1.4 大气压DBD等离子体

1.4.1 大气压DBD等离子体的概述

1.4.2 大气压DBD等离子体的应用

1.5 析氢性能评价方法

1.6 主要实验内容及其创新点

1.6.1 主要内容

1.6.2 创新点

第二章 实验材料与研究方法

2.1 实验药品与仪器

2.1.1 实验药品和材料

2.1.2 实验仪器

2.2 电极材料的制备

2.2.1 等离子体处理的泡沫镍负载Ni3S2析氢材料的制备

2.2.2 等离子体处理的泡沫镍负载Ni3S2/CdS异质结析氢材料的制备

2.3 材料的表征方法

2.3.1 扫描电子显微镜测试(SEM)

2.3.2 透射电子显微镜测试(TEM)

2.3.3 X射线粉末多晶衍射(PXRD)

2.3.4 X射线光电子能谱仪(XPS)

2.4 电化学测试

2.4.1 析氢性能测试

2.4.2 析氢稳定性测试

第三章 等离子体处理的泡沫镍负载Ni3S2的析氢材料

3.1 引言

3.2 等离子体处理的泡沫镍负载Ni3S2的析氢材料的表征

3.2.1 扫描电子显微镜(SEM)

3.2.2 透射电子显微镜(TEM)

3.2.3 X射线粉末衍射仪(XRD)

3.2.4 X射线光电子能谱仪(XPS)

3.3 PNF/Ni3S2电催化析氢性能测试

3.3.1 线性扫描伏安曲线的测试(LSV)

3.3.2 交流阻抗法(EIS)

3.4 PNF/NiaS2电催化析氢稳定性测试

3.5 本章小结

第四章 等离子体处理的泡沫镍负载Ni3S2/CdS异质结析氢材料

4.1 引言

4.2 等离子体处理的泡沫镍负载NiaS2/CdS异质结析氢材料的表征

4.2.1 扫描电子显微镜(SEM)

4.2.2 透射电子显微镜(TEM)

4.2.3 X射线粉末衍射仪(XRO)

4.2.4 X射线光电子能谱仪(XPS)

4.3 PNF/Ni3S2/CdS电催化析氢性能测试

4.3.1 线性扫描伏安曲线(LSV)及Tafel曲线

4.3.2 交流阻抗法(EIS)

4.4 PNF/Ni3S2/CdS电催化析氢稳定性测试

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

致谢

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摘要

氢能作为一种无污染可再生的清洁能源,具有资源丰富、易储存等诸多突出的优点。随着化石燃料的日益减少及环境问题的日显突出,氢能越来越受到人们的重视。目前,电解水是大规模制氢的重要途径,为了降低阴极过电位以节约能耗,研究低析氢过电位、高催化活性的阴极材料具有重要意义。制得拥有高催化活性的析氢阴极材料,主要有两种方式得以实现:一种是寻找新型高催化活性的催化材料,提高电极本身的电化学活性;二是提高电极的真实比表面积,即增大材料的表面粗糙度,使得电解过程中电极材料表面的真实电流密度得到降低,达到降低析氢过电位的效果。泡沫镍(NF)作为一种商业化的三维开孔、孔隙与金属骨架相互连通的功能金属材料,广泛的应用于镍氢电池电极材料、燃料电池等领域。这类材料具有较大的电化学反应界面,在电化学析氢电极材料方面具有较大的应用前景。
  本论文采用等离子体技术和高压水热法制备以泡沫镍为基体的复合电极,利用SEM、TEM、XRD以及XPS对复合电极的表面进行了表征,并比较了不同复合电极在1MKOH(PH14)溶液中的电催化析氢性能,为实现低能耗、高效率电解水制氢提供了技术和理论支持。
  在本课题中,我们利用大气压介质阻挡放电(DBD)等离子体对泡沫镍进行表面预处理(PNF),大大提高了镍基体表面的微纳裂纹数,从而增加了基材的反应活性点,为后续制备高密度硫化镍创造了条件。扫描电子显微镜(SEM)分析发现,等离子体处理10min后的NF表面生长了规整花朵状Ni3S2,花朵直径大约为2um,平均晶片厚度为25nm。在碱性溶液中电催化析氢测试结果表明,花朵形貌的PNF/Ni3S2析氢电极材料具有较好的电催化析氢活性和稳定性,起始过电位大概为-0.10V(vs RHE)。当电流密度为100mA cm-2时,所需要的过电位为-0.439V(vs RHE)较NF、PNF要低的多,且从12h的时间-电流(I-t)曲线和10000次CV循环极化曲线看,PNF/Ni3S2拥有较高的析氢稳定性。研究认为花朵形貌的PNF/Ni3S2的高催化活性和其优异的稳定性,主要是由于等离子体微丝细化了材料表面的微裂纹并形成一些微孔洞,有利于催化剂的附着和生长,使得电极材料的表面修饰层牢固强度增强。此外,花朵状的PNF/Ni3S2有效的增大了电极材料的表面粗糙度和电化学反应界面。
  为改善PNF/Ni3S2析氢性能,我们用CdS量子点修饰了Ni3S2六面晶片,形成一种新的Ni3S2/CdS异质结析氢材料(PNF/Ni3S2/CdS)。从形貌表征来看,纳米级别的CdS颗粒均匀负载在花朵状PNF/Ni3S2复合电极材料表面。析氢结果显示,在电流密度为100mA cm-2所需要的过电位从-0.439V(vs RHE)降到了-0.399(vs RHE),tafel曲线所对应的斜率从0.305V decade-1降为0.272V decade-1。12h的时间-电流(I-t)对比曲线和10000次CV循环极化曲线几乎无明显波动,说明了CdS纳米颗粒并未随着电化学反应而脱落导致析氢性能的降低,进一步说明PNF/Ni3S2/CdS是一种理想的阴极析氢材料,具有一定应用前景。

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