鈷氮共摻雜多孔碳材料的制備及電催化產(chǎn)氫性能研究

摘 要：氫氣不僅是一種清潔、無污染的氣體，其在燃燒的過程中也能夠散發(fā)出較高的熱量，所以人們逐步提高了對電器催化產(chǎn)氫性能的研究。電解水制氫是目前最常采用的制備氫氣的方法，為了能夠有效的提高電解水制氫的產(chǎn)氣率，就需要在制備的過程中選擇高效的電極材料。最近幾年，鈷氮共摻雜多孔碳材料在電催化產(chǎn)氫性能中的應(yīng)用得到了人們高度的重視。本篇文章采用不同的方法制造了活性高且經(jīng)濟(jì)的鈷氮共摻雜多孔碳材料，并且對其結(jié)構(gòu)和析氫活性進(jìn)入了深入的研究

關(guān)鍵詞：鈷氮共摻雜;多孔;碳材料;電催化;產(chǎn)氫

1 介孔碳材料

介孔碳材料的制備方法：

硬模板法和軟模板法是介孔碳材料在制備過程中常采用的兩種合成方法。介孔碳材料的硬模板合成法是在很久之前由Knox等人首次提出。硬模板合成法在使用過程中應(yīng)用的模板是由硅膠和多孔玻璃制作而成。因為制作模板的硅膠和多孔玻璃都屬于無序結(jié)構(gòu)，所以有這種模板制作而成的介孔碳材料的結(jié)構(gòu)也是無序結(jié)構(gòu)。有序介孔碳材料是由Ryoo研究小組提出。有序介孔碳材料在使用的過程中采用了MCM-48為模板，從而制作出了有序介孔碳材料，并命名CMK-1。之后研究人員反復(fù)經(jīng)過了大量的實驗向人們證明在有序介孔碳材料制作的過程中采用這種制作方法具有可行性，但是經(jīng)過反復(fù)大量的實驗得出的介孔碳材料沒有像CMK-1一樣完善。依據(jù)Ryoo做出的報導(dǎo)，研究人員依次對合成有序介孔碳材料開展了研究項目。

將軟模板法于硬模板法相比較，軟模板法在制作的過程中通常采用合適的兩親分子和碳前驅(qū)體，并借助有機(jī)--有機(jī)自組裝來制作完成。從總體上來講，軟模板法在制作的過程中有三個重要點(diǎn)。首先，碳前驅(qū)體和軟模板通過組裝就可以形成有序介孔結(jié)構(gòu)。其次，在得到有序介孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合物的過程中必須確保模板分子與碳分子在結(jié)合的過程中的化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的，并且模板分子與碳源在高溫分解復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的過程中必須產(chǎn)生一個碳骨架結(jié)構(gòu)。最后，在對股價結(jié)構(gòu)進(jìn)行碳化的過程中，碳前驅(qū)體必須保留其有序介孔結(jié)構(gòu)從而形成一個穩(wěn)定的框架。

2 析氫反應(yīng)

2.1 氫氣的制備方法

雖然在所有的化學(xué)物質(zhì)中氫氣的質(zhì)量最小，但是氫氣在燃燒過程中所產(chǎn)生的熱值可以達(dá)到 273 kJ mol，所以與其他的化學(xué)氣體相比較，氫氣的優(yōu)勢可以顯現(xiàn)。依據(jù)氫氣的化學(xué)分子式我們可以看出，氫氣產(chǎn)生主要是由兩個氫分子構(gòu)成，所以生氣在制作過程中的主要原材料是水。比其他的化學(xué)能源相比較氫氣的優(yōu)勢在于其不僅有豐富的儲量，而且是一種可在生資源，所以將地球上的氫氣進(jìn)行合理的利用有利于建設(shè)和諧的生態(tài)環(huán)境。為了能夠有效地緩解我國能源日益缺乏的問題，研究人員逐步開發(fā)了多種能夠?qū)錃膺M(jìn)行利用的科學(xué)技術(shù)。目前我國在制備氫氣的過程中主要應(yīng)用以下幾種方法：煤炭制氫、天然氣制氫、光催化法制氫、生物制氫、熱分解制氫以及電解水制氫。在眾多的制備氫氣的方法中，電解水制備氫氣方法不僅是使用最早的制備氫氣的方法，而且也是應(yīng)用最廣泛的制氫氣的方法。但是電解水制備氫氣的方法在應(yīng)用的過程中仍存在著很大的不足--電能消耗過大，研究人員的研究重點(diǎn)是如何降低電解水制備氫氣過程中電能的消耗。

2.2 電解水析氫反應(yīng)

電解水析氫氣在反應(yīng)過程中主要應(yīng)用了三種電解槽，分別是堿性水電解槽、固體氧化物水電解槽、質(zhì)子交換膜水電解槽。電解水析氫氣在化學(xué)反應(yīng)過程中所用的三種電解少各有各的優(yōu)勢和缺點(diǎn)：堿性電解槽雖然及技術(shù)比較成熟、操作簡便，但是其在應(yīng)用過程中所消耗的電能較多;固體氧化物電解槽雖然比堿性電解槽的產(chǎn)氫氣率高，但是其在應(yīng)用的過程中需要較高的溫度;質(zhì)子交換膜電解槽的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的氣體分離性，且質(zhì)子的傳導(dǎo)性能良好。

如果Volmer反應(yīng)是整個反應(yīng)的速控步驟，那么就可以將整個反應(yīng)過程的原理看做為吸附原理。當(dāng)將速控步驟看作為Heyrovsky步驟時，研究人員便可以將整個反應(yīng)過程的原理看做為電化學(xué)脫附機(jī)理。如果將速控步驟看作為Tafel 反應(yīng)是速控步驟，研究人員便可以將整個反應(yīng)過程的原理看作為復(fù)合脫附機(jī)理。

2.3 析氫反應(yīng)特征參數(shù)

①過電位：過電位是用來描述水制備氫氣化學(xué)反應(yīng)過程中電極材料活性強(qiáng)弱的一項參數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)的析氫反應(yīng)中，0電位是標(biāo)準(zhǔn)的電極電位，但是在實際的水電解氫氣的過程中所需要的電極電位要比標(biāo)準(zhǔn)電位高出很多。過電位指的是在水制備氫氣的過程中所需要的實際電位和標(biāo)準(zhǔn)情況下的電極電位之間存在的誤差值。陰陽極化Tafel曲線能夠反映出電流密度和過電位王者之間的關(guān)系。我們可以知道，當(dāng)保持同樣的電流密度時，可以通過計算過電位的大小獲得電極材料催化活性的高低。當(dāng)過電位越小，表明在水制備氫氣的過程中消耗的電量就越小，也就代表電極材料催化性的活性越高;

②對于不同電極材料，當(dāng)電流密度達(dá)到10mAcm-2時，過電位的數(shù)值可以用來衡量電化學(xué)活性強(qiáng)弱。當(dāng)保持電流密度相同時，過電位的數(shù)值越小代表電極材料催化活性越好;

③塔菲爾斜率：認(rèn)為是塔菲爾在研究過程中發(fā)現(xiàn)了這樣一個斜率的規(guī)律，所以將該斜率命名為塔菲爾斜率。塔菲爾斜率所發(fā)現(xiàn)的超電勢式的規(guī)律如下：超電勢與電流密度在一定的數(shù)值區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出線性關(guān)系，所以可以將塔菲爾斜率當(dāng)作衡量的化學(xué)活性大小的一個重要參數(shù);

④從塔菲爾斜率變化曲線我們可以可以假設(shè)如果將塔菲爾曲線的線性部分一直向外延展就會與x軸產(chǎn)生一個交點(diǎn)，將這個命名為jo（電流密度）。電流密度是一個被用于描述電催化析氫反應(yīng)的重要參數(shù)，其數(shù)值大小能夠有效的表示出水制備氫氣過程中電極材料電化學(xué)活性的高低。在水制備氫氣過程中電極材料的電化學(xué)活性的高低與交換電流密度之間存在著密切的聯(lián)系，交換電流密度越小說明電極材料的電化學(xué)活性越高。

3 結(jié)束語

日益嚴(yán)重的能源缺乏問題受到了人們的高度重視，所以人們逐步將熱值較高且儲存量豐富的氫氣作為了一種應(yīng)用比較廣泛的新能源。并且為了能夠有效的降低氫氣在制備過程中對電能的消耗，研究人員做了以上所述實驗研究，從而可以有效的降低氫氣在制備過程中的成本。所以研究人員將實驗研究的重點(diǎn)放在了制備出一種能夠有效的提高水制備氫氣中所應(yīng)用的催化性較高的電極材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]李闊.鈷氮共摻雜多孔碳材料的制備及電催化產(chǎn)氫性能研究[C].中國化學(xué)會、中國化學(xué)會催化委員會.第十一屆全國環(huán)境催化與環(huán)境材料學(xué)術(shù)會議論文集.中國化學(xué)會、中國化學(xué)會催化委員會：沈陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，2018：276.

[2]李闊.鈷氮共摻雜多孔碳材料的制備及電催化產(chǎn)氫性能研究[D].沈陽：沈陽師范大學(xué)，2018.

[3]王凱彬.過渡金屬氮碳材料的制備及其氧還原電催化性能研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2017.

作者簡介：

岳晨陽（1999- ），性別：女，籍貫：遼寧省朝陽市，專業(yè)：化學(xué)（師范），學(xué)歷：本科，學(xué)校：沈陽師范大學(xué)。

項目名稱：鈷氮共摻雜多孔碳材料的制備及電催化產(chǎn)氫性能研究

項目編號：L（A）2019259