Ni基纳米催化剂的制备及电氧化苯甲醇的研究

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在低碳和能源转型背景下,电解水制氢是目前最符合我国发展战略的氢能制备途径之一。近年来科学界致力于化学辅助析氢反应(HER)的研究,特别是醇氧化辅助HER。对于伯醇来说其氧化电位在0.5~1.3 V之间(相对于饱和甘汞电极,SCE)。因此完全可以作为阳极原料参与反应继而取代析氧反应(OER)。此方法不仅可以降低电解水过程中较大的过电位和能耗,而且还可以产生更高附加值的醛和/或羧酸。据调查研究表明我国的苯甲醇(BA)产能过剩,而更高附加值的苯甲酸(BZA)和苯甲醛(BZH)都是由传统的催化技术生产的,需要高温高压高能耗等反应条件。因此,将苯甲醇氧化反应设计到混合电解水体系中可以说是一举多得。本文的主要研究内容如下:1.采用湿化学+煅烧还原的方法合成了不同Ni尺寸的Ni@NC-200、Ni@NC-280、Ni@NC-500催化剂,并将之用于苯甲醇的电催化氧化反应中。探究了催化剂中Ni的尺寸对有机物电氧化活性的影响,并进一步探索催化剂的构效关系。实验结果显示处于中间尺寸的Ni@NC-280有最高的催化活性。在反应体系中,该催化剂只需1.35 V就可得到10 m A﹒cm-2的电流密度,大大加速了制氢的动力学和稳定性。机理研究表明Ni@NC-280催化剂可以更好地促进苯甲醇的吸附和活化。另外苯环在苯甲醇的电催化氧化中发挥了辅助吸附的作用。该工作对通过材料设计的方法来提高有机物氧化促进产氢效率具有一定的指导意义。2.采用简单的浸渍-搅拌方法,制备了Ru-Ni(OH)2/NF催化剂,并将之用于苯甲醇的电催化氧化反应、HER和全解水反应中。该催化剂具有合成方法简单、催化高效的优点。在阳极上将苯甲醇电催化氧化成苯甲酸具有100%的转化率和98%的法拉第效率。在碱性HER中,电流密度10 m A﹒cm-2处的过电位仅为66m V。在含有苯甲醇的双电极体系中,电压为1.4 V时即可达到10 m A﹒cm-2的电流密度,而在不含有苯甲醇的体系中则需要1.56 V。上述数据说明Ru掺杂氢氧化镍纳米片催化剂具有优秀的双功能性。在阳极上氧化苯甲醇起到了降低电位的作用,在阴极上有着较低的HER过电位,从而加速了电解水的进程。本文从探究催化剂的构效关系出发,为理性设计简单高效的新型电解水催化剂提供了新思路。
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