用电催化氧气析出过程中氧气泡的行为及对催化剂性能的影响VIP免费

(论文)摘要为了解决全球能源需求和化石燃料储备的消耗问题、降低污染排放，人们不断地寻找替代能源。电解水将水分解成氢和氧的方法已经有几个世纪的历史了，它可以作为一种能量储存手段，且能获得能量密度高、清洁的氢能源。然而析氧反应（OER）的缓慢动力学、其导致增加的能耗、以及电解槽高昂的成本限制了电解水的高效利用。因此掌握氧气析出原理、找到降低阳极反应过电位的方法对于提高能量效率及经济效益至关重要。本文从气泡析出原理出发，研究改变材料的成分、形貌对氧气泡行为的影响，进而引起的OER催化性能的变化。(1)氧气泡析出原理氧气泡析出的行为，包括成核、生长、脱离三个步骤。成核需要满足溶解气体在电解质中过饱和的条件，可以用经典成核理论来解释，即临界半径决定其成核；生长包括气泡沿着气液界面的扩散和合并；脱离是由表面张力、气体压力以及浮力共同决定的，研究气泡脱离半径是加快脱离的关键。(2)催化剂材料的设计目前电催化活性及稳定性最好的为Ir、Ru等贵金属，但贵金属含量稀缺、价格昂贵，将Ni、Co、Fe等过渡金属掺杂到贵金属氧化物晶格中即可降低成本。本文在分析文献后，得出Ni作为掺杂相，IrO2为主晶相可获得比其他掺杂氧化物具备更为优良的活性和稳定性的结论。(3)催化剂材料-氧气泡行为-性能间关系向催化剂表面引入微/介孔和裂纹皆可增大材料的活性比表面积。孔洞提供的活性成核位点将溶解气体从溶液中去除，并使气泡附近的浓度接近饱和浓度，达到析出所需的条件。由于这种过饱和程度非常高，可以在孔隙中建立非常高的浓度梯度，通过扩散快速去除产生的气体。裂纹腔则可以容纳电解液，从而为电化学反应提供更有效的反应内表面积，提高析氧反应的速率。因此，当气泡的形成和去除被加速，表面的活性区域将被不断暴露出来，从而使氧气析出速率变快，进一步使催化活性得到提高。本文拟设计用溶胶凝胶-热分解法制备IrO2纳米颗粒、氨络合法制备IrO2纳米微/介孔颗粒（IrO2-p）、热分解-酸洗法制备IrNiOx纳米微/介孔颗粒（IrNiOx-p）；基于X射线衍射谱和X射线光电子能谱的表征及分析可以证明成功将Ni掺杂到IrO2晶格中，且经过酸洗分相的IrNiOx获得微/介孔结构，扫描电子显微镜、透射电子显微镜的表征可进一步证实了这一点。电化学性能测试可显示微/介孔结构、Ni掺杂均能不同程度地提高活性表面积、OER活性，降低Tafel斜率且符合文献值（60mV/dec）的范围。设计通过溶胶凝胶-热处理法，原料和溶剂配比分别1:1和1:30制备裂-I-(论文)纹表面和无裂纹表面的IrNiOx涂层。通过扫描电子显微镜观察到高浓度下裂纹表面的形成，并经过电化学性能测试的对比和文献分析得出裂纹对活性比表面积、OER活性及Tafel斜率的改善作用。不同催化剂上氧气泡析出的行为可通过CCD相机观察。通过分析预测结果，希望得出孔洞、裂缝的存在可加快气泡析出速率、减小气泡脱离尺寸。-II-关键词：析氧反应，电解催化剂，氧气泡行为，溶胶凝胶法，Ni掺杂IrO2(论文)TheBehaviorofOxygenBubblesintheOxygenEvolutionReactionandtheInfluenceonthePerformanceofCatalystsAbstractInordertosolvetheproblemofglobalenergydemandandreducepollutionemissions,peopleareconstantlylookingforalternativeenergysources.Electrolysisofwater,whichsplitswaterintohydrogenandoxygen,hasbeenusedforcenturiesasameansofstoringenergyandobtainingcleansourcesofhydrogenwithhighenergydensity.However,theslowkineticsofoxygenevolutionreaction(OER),theincreasedenergyconsumption,andthehighcostofelectrolysiscelllimitthehighlyefficientutilizationofelectrolysisofwater.Thus,itisessentialtounderstandthemechanismofoxygenevolutionandfindwaystoreducetheoverpotentialofOERaimingatimprovingtheenergyefficiencyforeconomicbenefits.Basedontheprincipleofbubbleevolution,thispaperstudiestheeffectofchangingthecompositionandmorphologyofmaterialsonthebehaviorofoxygenbubbles,andwhatchangestheybringaboutinOERcatalyticperformance.(1)Oxygenbubbleevolutionprinciple.Thebehavio...