碳基改性铁镍及tio2膜层催化剂制备及电催化研究

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1、硕士学位论文碳基改性铁镍及TiO2膜层催化剂制备及电催化研究SYNTHESIZATIONOFCARBONMODIFIEDFe-Ni&TiO2FILMELECTROCATALYSTANDELECTROCHEMICALANALYSIS戴鹏程哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TQ151.6学校代码：10213国际图书分类号：66密级：公开工学硕士学位论文碳氮改性铁镍及TiO2膜层催化剂的制备及电催化性能研究博士研究生：戴鹏程导师：姚忠平副教授学科：化学工程所在单位：化工与化学学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TQ151.6U.D.C

2、:66DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSYNTHESIZATIONOFCARBONMODIFIEDFe-Ni&TiO2FILMELECTROCATALYSTANDELECTROCHEMICALANALYSISCandidate：DaiPengchengSupervisor：Prof.YaoZhongpingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ChemicalEngineeringAffiliation：SchoolofChemsityandChemicalEngi

3、neeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要电解水制氢法由于操作简单、原料丰富且制备的氢气纯度较高。然而电解水阳极过程为四电子-质子转移的氧气析出反应（OER），活化能较高，极化现象严重，严重限制了阴极过程的氢气析出反应（HER）的效率。当前的OER电催化剂催化活性较低，且稳定性较差，无法满足工业的需求。此外，当前OER催化剂多为粉体催化剂，在电极制备的滴涂过程中由于粘连剂的存在会使催化剂电阻大幅上升，不利于提升催化效率。针对目前OER催化剂成本高，活性

4、差等问题，本论文采用等离子体沉积法成功将氮掺杂石墨化碳与过渡金属铁、镍共沉积在钛合金(TC4)表面，成功制备出高效且稳定性高的膜层催化剂。通过SEM，TEM以及XPS等对催化剂的物相、形貌以及表面结构进行了分析；通过电化学测试研究了膜层催化剂的催化特性和稳定性；以提升OER反应效率为目标，确定了PED制备OER膜层催化剂的时间参数。利用等离子体沉积法（PED）法在水相体系中和有机相体系中制备了活性位点含量不同的OER膜层催化剂。将不同时间条件下制备的膜层通过氧析出反应进行活性评价。研究发现，在有机相体系中辉光放电70min所制备的催化剂在测试电流密度为10mA/cm2时过电位仅有0.2V，

5、电极面积为5cm2时电荷传输电阻仅0.04Ω，双电层电容值达到0.3308mF/cm2。经48000s计时电位法测试，催化效率未发生改变，表明催化剂具有良好的稳定性。为进一步明确PED法制备的膜层催化剂的活性位点，对不同时间条件下制备的OER催化剂进行了物相分析。XRD分析结果显示物相中存在FeNi合金的偏移峰，结合拉曼测试进一步表明石墨化结构为掺杂石墨化碳，Fe以氧化物的形式存在。通过XPS分析结果显示，Fe2p与N1s结合能同时发生偏移，证明存在Fe-N-C键。通过半定量分析，O-70催化剂Fe-N-C的含量约为5%。对XPS高分辨图进行拟合分峰可得到OER催化剂的Fe-N-C耦合活性

6、位点的含量。通过与LSV10mA/cm2下的过电位以及耦合活性位点的转化频率(TOF)数据相对比发现，Fe-N-C活性位点的含量提升可使过电位下降，活性位点转化频率上升。说明Fe-N-C为PED法制备的膜层催化剂主要活性成分。为了精确计算活性位点数量，需进一步明确除吡啶与过渡金属氧化物外，石墨烯结构边缘在空气中氧化形成的羰基是否具有催化活性，本论文设计了通过热扩渗法在TC4表面上沉积C和O以制备非过渡金属无氮掺杂的边缘氧化羰基结构。研究证明，羰基氧催化活性较低。因此PED法制备的膜层催化剂耦-I-摘要合活性位点确认为Fe-N-C键。关键词：等离子体沉积法；耦合活性位点；热扩渗；氮掺杂石墨化

7、碳；转化频率，过电位-II-AbstractAbstractHydrogenproductionfromwatersplitinghasalreadybegunitsindustrialapplicationfortheconvenintoperation,purehydrogenoutputsandtheabundantresources.Howevertheanodeprocessisdominatedbyafour