PEM水电解研究

【摘要】：氢气是一种清洁高效的能源载体，并以其可再生和能量密度高等优点使之在不远的将来必为广泛应用。故高效制备和使用氢能途径的开发迫在眉睫。聚合物电解质膜（PEM）水电解因其稳定的效率和安全可靠的性能，被认为是一种前景广阔的制氢方法。目前，高活性稳定阳极催化剂材料的制备成为PEM水电解研究的焦点，这是由于阳极析氧反应（OER）的动力学过程缓慢，导致其在水电解过程中所需过电位较高。 本研究以氧化锡锑（ATO）为载体，采用一种简单廉价的方法制备出新型水电解阳极催化剂IrO2/ATO，并对其相关性能进行了表征。使用SEM、TEM、XRD及XPS等方法对所得催化剂材料的表面形貌、晶体结构和表面元素组成进行了分析。使用循环伏安、极化曲线、电化学交流阻抗及计时电流诸电化学测量方法对所得催化剂材料的电催化析氧活性和稳定性进行了表征，并研究了热处理温度对催化剂结构性能等方面的影响。新型的制备方法步骤简单，操作条件常规，对设备要求低。该方法允许单批次制备大量催化剂材料且不产生任何有害气体。研究发现，所得IrO2/ATO材料有较好的电化学催化析氧性能，并在酸性介质和高过电位析氧条件下能保持良好的稳定性。催化剂热处理温度对其结构以及表面元素组成和价态都有显著影响，因之其电化学催化析氧活性也随热处理温度的不同而不同。综合考量，400oC热处理的IrO2/ATO催化剂性能最佳，1.6V时的析氧电流密度为105mA·cm-2，1.5V下析氧电流密度衰减速率为1.687×10-2(mA·cm-2)·h-1。 膜组件是PEM水电解的核心，传统工艺所得膜组件催化层中催化剂颗粒以及聚合物粘结剂的分散随机无序，难免催化剂利用率的损失且催化层内传质阻力较大。在对传统结构催化层进行研究的基础上，为降低催化层内的传质阻力并提高催化剂利用率，通过电场诱导定向我们得到了结构化的催化层，并对其进行了PEM水电解测试。通过电化学交流阻抗谱研究发现，催化层经交流电场诱导定向后可有效降低PEM水电解反应的阻抗，且交流电场频率也对其有一定影响。 【关键词】：PEM水电解 IrO_2/ATO 催化剂 阳极析氧反应
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ116.21;TQ426
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第1章 绪论7-15
• 1.1 课题目的和意义7
• 1.2 水电解阳极材料的研究现状7-11
• 1.3 催化层电场诱导定向的研究现状11-14
• 1.4 本文研究内容与工作14-15
• 第2章 IrO_2/ATO催化剂纳米颗粒的制备及电化学性能研究15-43
• 2.1 实验药品与仪器15-16
• 2.2 IrO_2/ ATO纳米颗粒的制备及物理化学性能表征16-29
• 2.2.1 IrO_2/ ATO纳米颗粒的制备16-17
• 2.2.2 IrO_2/ ATO纳米颗粒表面形貌表征17-20
• 2.2.3 IrO_2/ ATO纳米颗粒XRD分析20-24
• 2.2.4 IrO_2/ATO纳米颗粒的XPS分析24-29
• 2.3 IrO_2/ATO催化剂电化学析氧性能研究29-42
• 2.3.1 循环伏安曲线研究30-35
• 2.3.2 极化曲线研究35-38
• 2.3.3 交流阻抗谱研究38-41
• 2.3.4 计时电流研究41-42
• 2.4 本章小结42-43
• 第3章 PEM水电解过程的电化学交流阻抗谱研究43-61
• 3.1 实验药品与仪器43-44
• 3.2 PEM水电解膜组件制备与电解池组装测试44-46
• 3.2.1 膜组件制备44-46
• 3.2.2 电解池的组装测试46
• 3.3 PEM水电解的电化学交流阻抗谱研究46-49
• 3.4 关于PEM水电解的电解池等效电路及相关参数的解析49-54
• 3.5 低偏置电位下的电化学交流阻抗谱研究54-55
• 3.6 阳极催化层电场定向对PEM水电解性能影响的研究55-60
• 3.6.1 阳极催化层的电场定向55
• 3.6.2 PEM水电解过程的电化学交流阻抗谱研究55-60
• 3.7 本章小结60-61
• 第4章 结论61-62
• 参考文献62-66
• 致谢66

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

添加剂在铜电解精炼中的电化学行为的研究    鲁道荣

微量铈离子在酸性电镀锡过程中沉积机理的探讨    严怡芹，倪光明

析氢催化电极的研究概述    甘雄,马稳

掺杂Fe~(3+)的TiO_2薄膜电极的电化学研究    霍莉,丁克强,王庆飞,童汝亭

多孔硅光致发光峰值能量随HF浓度变化的台阶行为    张树霖,侯永田,何国山,申猛燕,钱必东,刁鹏,蔡生民

气体扩散电极制备及其对苯酚降解效果的研究    矫彩山;孙艳;弟智;陈星云;

纳米晶Ni-Mo-Fe催化阴极的制备与表征    黄金昭;徐征;李海玲;亢国虎;朱海娜;王文静;

动力电池功率密度性能测试评价方法的比较研究    赵淑红;吴锋;王子冬;张京伟;

一种节能阴极材料的制备条件研究    王宇;王崇臣;

C/KOH/Ni(OH)_2非对称电容器活化过程电极行为    苏岳锋,包丽颖,吴锋

冷轧钢板表面电解涂覆薄层二氧化硅过程的研究 Ⅱ.机理研究    耿秋菊;周荣明;印仁和;郁祖湛;

冷轧钢板表面电解涂覆薄层二氧化硅过程研究 Ⅰ.电解工艺对表面涂硅量的影响    耿秋菊;周荣明;印仁和;郁祖湛;

半导体芯片铜线工艺中的添加剂作用机理研究进展    孙建军;谢步高;

三种极化作用下多孔电极单孔模型的计算    宋辉;徐献芝;朱梅;李芬;

离子浓度的等电位点测量与多点自动标定方法    杨光永;

钢板上锌镁合金镀层的制备方法及耐蚀机理的研究进展    薛雷刚;印仁和;王卫江;郁祖湛;

电解液组成对电沉积纳米ZnO薄膜结构及性能的影响    秦秀娟;孙丽;卜丽敏;孙学亮;左华通;韩司慧智;

氯化铵镀锌的研究    陈幼云;杨江成;王志军;薛圣华;陈永言;

电镀测量中某些问题的讨论    陈永言;戴盛世;姚青;

储氢合金低温放电性能研究    韩静;杨毅夫;邵惠霞;谭祖宪;

咪唑基离子液体在锌电沉积中的作用机理研究    张启波

硅烷sol-gel薄膜及含硅烷的聚合物涂层的电沉积研究    刘倞

以Nb_2O_5·nH_2O为助剂的甲醇氧化电催化剂的制备与性能研究    李伟伟

锂离子动力电池性能及其仿真研究    靳尉仁

基于介孔碳载体的高容量超级电容器复合电极材料的制备及性能研究    张晶

过渡金属化合物修饰电极的制备和应用研究    王明艳

纳米碳纤维及其负载贵金属催化剂的制备及性能研究    覃远航

铅锌冶炼烟气洗涤含汞污酸生物制剂法处理新工艺研究    王庆伟

纳秒脉宽脉冲电化学微加工机床关键技术研究    罗红平

硼掺杂金刚石薄膜电极的制备与性能评价    吕江维

数控选区电沉积快速成型的成型质量研究    李高飞

导电高分子修饰活性炭电极的制备与电化学性能研究    刘兰

TM-450阀控式密封铅酸蓄电池设计及板栅合金研究    谢小运

超级电容器用纳米二氧化锰的制备及电化学性能研究    杨艳静

模拟深海环境阴极保护初期钙镁沉积层的研究    曹振宇

离子液体中钛铝合金的电沉积研究    刘亚伟

用低共熔溶剂型离子液体从氧化锌制取金属锌的研究    卢海君

氢扩散阳极的制备及其在锌电积中的应用    沈鑫远

铂基掺铈载体薄膜电极制备及电化学性能研究    刘艳伟

孔状纳米级锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备与研究    梁风

水电解电极材料    安宁宁,姚沛

高浓重水电解过程中杂质氢的动态变化方程与计算方法    周俊波,王奎升,高丽萍

添加剂法降低水电解能耗    姜仁鉴;

水电解氢氧发生器在连铸坯切割上的应用    厉焕波,任玉画,陈泽刚,高志杰

应用添加剂法降低水电解能耗    李效文

水电解制氢技术的进展及其在煤制甲醇中的应用    李琼玖;王建华;李德宽;赵月兴;

碱性水电解阳极材料研究进展    王鹏,姚立广,王明贤,吴维弢

水电解氢氧发生器改造    王克生;仲耕耘;王帅;

碱性水电解密封垫片的发展概况及分析    李黎明;巴俊洲;蒋亚雄;王庆斌;薛贺来;马强;

提高水电解实验效果的方法    朱莉;苏同福;周斌;海飞;荆伟科;

一种碱性水电解用新型隔膜    卢善富;黄爱宾;庄林;陆君涛;

新型隔膜碱性水电解的初步研究    黄爱宾;卢善富;肖超渤;庄林;

水电解电极的研究    宋刚祥

碱性水电解活性阳极材料的制备与电化学性能的研究    刘金峰

添加剂法降低水电解中析氧过电位的研究    刘世永

PEM水电解研究    王盼

碱性水电解用新型复合隔膜的研究    高海滨

基于微控制器的压载水电解处理系统    孙永康