论文部分内容阅读
为缓解传统化石燃料燃烧引起的环境污染以及能源危机问题，氢气作为一种新型清洁能源备受关注。微生物电解池(Microbial electrolytic cell，MEC)是一种无污染、低能耗的生物电化学技术，可以净化废水并同时产生氢气。MEC阳极上的微生物通过氧化废水中的有机物，产生质子与电子。质子与定向迁移后的电子在阴极结合产生氢气。众所周知铂系催化剂是性能优异的阴极材料，其电催化活性高、析氢过电位低，但由于昂贵的价格限制了大规模使用。开发电化学活性高、成本低廉、资源丰富的阴极催化剂至关重要。
本文对MEC阴极析氢催化剂展开研究，以碳纸为基底，采用恒电流法电沉积Ni/P复合阴极、水热法制备MoS2/Y分子筛复合阴极。通过物理表征、电化学测试和MEC产氢测试，研究阴极催化剂的物理化学特性、电化学性能和析氢性能。本文主要研究内容和结论如下：
（1）采用恒电流法电沉积不同比(5：2，5：3，5：4)的Ni/P到碳纸基底上。SEM测试结果表明Ni/P具有花椰菜表面的结节状结构，与纯Ni相比球状结构变大，电极比表面积增大，使得Ni/P与电解液充分接触，析氢性能大幅提高。XRD显示Ni/P催化剂为非晶型结构。LSV和CA测试表明比例为5：3的Ni/P复合电极的电化学活性最高，析氢性能最好。EIS测试表明其电荷转移电阻Rct(36.31Ω.cm2)最小，电荷传递速率最快。Tafel斜率为42.9mV·dec?1，略大于Pt电极(37.5mV·dec?1)。MEC产氢实验中，其产气量为15.9±1.1mL，H2占79.9±0.7%，均优于Pt电极，且价格低廉。
（2）通过水热法制备MoS2/Y分子筛复合催化剂，并将其负载于碳纸上。SEM和TEM表明复合物为片状和八面体相互交织叠加的云状形貌，比表面积增大，从而提供更多的析氢活性位点。BET测试显示复合催化剂为微孔-介孔多级孔道结构，比表面积为369.34m2·g-1，总孔容为0.8297cm3·g-1，高的比表面积和大的孔容有利于提高MoS2的分散度。LSV测试显示MoS2/Y分子筛质量比为5：2，且碳纸上的负载量为1.5mg·cm?2时析氢性能最好。在MoS2和Y分子筛的协同效应作用下，其Tafel斜率为39.9mV·dec?1，远小于空白碳纸(101.4mV·dec?1)。且其电荷转移电阻Rct最小，电荷传递速率最快。MEC产氢测试中，MoS2/Y分子筛阴极的最大电流密度为14.14Am-2，产气量为14.7±2.1mL，H2占88.4±0.3%，均优于Pt电极，且具有长期稳定性，价格低廉，因此该电极适于实际应用。
本文对MEC阴极析氢催化剂展开研究，以碳纸为基底，采用恒电流法电沉积Ni/P复合阴极、水热法制备MoS2/Y分子筛复合阴极。通过物理表征、电化学测试和MEC产氢测试，研究阴极催化剂的物理化学特性、电化学性能和析氢性能。本文主要研究内容和结论如下：
（1）采用恒电流法电沉积不同比(5：2，5：3，5：4)的Ni/P到碳纸基底上。SEM测试结果表明Ni/P具有花椰菜表面的结节状结构，与纯Ni相比球状结构变大，电极比表面积增大，使得Ni/P与电解液充分接触，析氢性能大幅提高。XRD显示Ni/P催化剂为非晶型结构。LSV和CA测试表明比例为5：3的Ni/P复合电极的电化学活性最高，析氢性能最好。EIS测试表明其电荷转移电阻Rct(36.31Ω.cm2)最小，电荷传递速率最快。Tafel斜率为42.9mV·dec?1，略大于Pt电极(37.5mV·dec?1)。MEC产氢实验中，其产气量为15.9±1.1mL，H2占79.9±0.7%，均优于Pt电极，且价格低廉。
（2）通过水热法制备MoS2/Y分子筛复合催化剂，并将其负载于碳纸上。SEM和TEM表明复合物为片状和八面体相互交织叠加的云状形貌，比表面积增大，从而提供更多的析氢活性位点。BET测试显示复合催化剂为微孔-介孔多级孔道结构，比表面积为369.34m2·g-1，总孔容为0.8297cm3·g-1，高的比表面积和大的孔容有利于提高MoS2的分散度。LSV测试显示MoS2/Y分子筛质量比为5：2，且碳纸上的负载量为1.5mg·cm?2时析氢性能最好。在MoS2和Y分子筛的协同效应作用下，其Tafel斜率为39.9mV·dec?1，远小于空白碳纸(101.4mV·dec?1)。且其电荷转移电阻Rct最小，电荷传递速率最快。MEC产氢测试中，MoS2/Y分子筛阴极的最大电流密度为14.14Am-2，产气量为14.7±2.1mL，H2占88.4±0.3%，均优于Pt电极，且具有长期稳定性，价格低廉，因此该电极适于实际应用。