鈷氮共摻雜多孔碳材料的制備及電催化產氫性能研究

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出較高的熱量，所以人們逐步提高了對電器催化產氫性能的研究。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氫性能中的應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濟的鈷氮共摻雜多孔碳材料，并且對其結構和析氫活性進入了深入的研究

關鍵詞：鈷氮共摻雜;多孔;碳材料;電催化;產氫

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構，所以有這種模板制作而成的介孔碳材料的結構也是無序結構。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。之后研究人員反復經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，但是經過反復大量的實驗得出的介孔碳材料沒有像CMK-1一樣完善。依據Ryoo做出的報導，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體，并借助有機--有機自組裝來制作完成。從總體上來講，軟模板法在制作的過程中有三個重要點。首先，碳前驅體和軟模板通過組裝就可以形成有序介孔結構。其次，在得到有序介孔結構的復合物的過程中必須確保模板分子與碳分子在結合的過程中的化學性質是穩定的，并且模板分子與碳源在高溫分解復合結構材料的過程中必須產生一個碳骨架結構。最后，在對股價結構進行碳化的過程中，碳前驅體必須保留其有序介孔結構從而形成一個穩定的框架。

2 析氫反應

2.1 氫氣的制備方法

雖然在所有的化學物質中氫氣的質量最小，但是氫氣在燃燒過程中所產生的熱值可以達到 273 kJ mol，所以與其他的化學氣體相比較，氫氣的優勢可以顯現。依據氫氣的化學分子式我們可以看出，氫氣產生主要是由兩個氫分子構成，所以生氣在制作過程中的主要原材料是水。比其他的化學能源相比較氫氣的優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行合理的利用有利于建設和諧的生態環境。為了能夠有效地緩解我國能源日益缺乏的問題，研究人員逐步開發了多種能夠將氫氣進行利用的科學技術。目前我國在制備氫氣的過程中主要應用以下幾種方法：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

電解水析氫氣在反應過程中主要應用了三種電解槽，分別是堿性水電解槽、固體氧化物水電解槽、質子交換膜水電解槽。電解水析氫氣在化學反應過程中所用的三種電解少各有各的優勢和缺點：堿性電解槽雖然及技術比較成熟、操作簡便，但是其在應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氫氣率高，但是其在應用的過程中需要較高的溫度;質子交換膜電解槽的優點是具有良好的氣體分離性，且質子的傳導性能良好。

如果Volmer反應是整個反應的速控步驟，那么就可以將整個反應過程的原理看做為吸附原理。當將速控步驟看作為Heyrovsky步驟時，研究人員便可以將整個反應過程的原理看做為電化學脫附機理。如果將速控步驟看作為Tafel 反應是速控步驟，研究人員便可以將整個反應過程的原理看作為復合脫附機理。

2.3 析氫反應特征參數

①過電位：過電位是用來描述水制備氫氣化學反應過程中電極材料活性強弱的一項參數。在標準的析氫反應中，0電位是標準的電極電位，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準電位高出很多。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準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系。我們可以知道，當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，當電流密度達到10mAcm-2時，過電位的數值可以用來衡量電化學活性強弱。當保持電流密度相同時，過電位的數值越小代表電極材料催化活性越好;

③塔菲爾斜率：認為是塔菲爾在研究過程中發現了這樣一個斜率的規律，所以將該斜率命名為塔菲爾斜率。塔菲爾斜率所發現的超電勢式的規律如下：超電勢與電流密度在一定的數值區域內呈現出線性關系，所以可以將塔菲爾斜率當作衡量的化學活性大小的一個重要參數;

④從塔菲爾斜率變化曲線我們可以可以假設如果將塔菲爾曲線的線性部分一直向外延展就會與x軸產生一個交點，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的重要參數，其數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活性的高低。在水制備氫氣過程中電極材料的電化學活性的高低與交換電流密度之間存在著密切的聯系，交換電流密度越小說明電極材料的電化學活性越高。

3 結束語

日益嚴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放在了制備出一種能夠有效的提高水制備氫氣中所應用的催化性較高的電極材料。

參考文獻：

[1]李闊.鈷氮共摻雜多孔碳材料的制備及電催化產氫性能研究[C].中國化學會、中國化學會催化委員會.第十一屆全國環境催化與環境材料學術會議論文集.中國化學會、中國化學會催化委員會：沈陽師范大學化學化工學院，2018：276.

[2]李闊.鈷氮共摻雜多孔碳材料的制備及電催化產氫性能研究[D].沈陽：沈陽師范大學，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，2017.

作者簡介：

岳晨陽（1999- ），性別：女，籍貫：遼寧省朝陽市，專業：化學（師范），學歷：本科，學校：沈陽師范大學。

項目名稱：鈷氮共摻雜多孔碳材料的制備及電催化產氫性能研究

項目編號：L（A）2019259