开题报告-取向硫化钴纳米晶合成及其电催化性能研究.doc

天津大学本科生毕业论文开题报告课题名称取向硫化钴纳米晶合成及其电催化性能研究学院名称化工学院专业名称化学工程与工艺学生姓名姜冬洋指导教师王庆法课题来源及意义本课题为国家级课题。随着化石能源的日益耗尽以及其燃烧所带来的环境问题，寻找理想的可替代新能源成为全球的共识，而氢气作为一种清洁能源，具有其他能源无可替代的优势，水的裂解是一种大量生产高纯度氢气的重要方法，但是这一方法由于耗能高目前还难以实现工业化。析氢反应(HER)是水裂解的关键步骤，研究如何降低析氢反应的能耗成为这一技术的关键之处。而催化剂的使用能够使推动析氢反应所产生的过电位降到最低从而实现能量的高效利用，贵金属如铂是析氢反应最理想的催化剂，但是铂的价格十分昂贵且在地球上的含量十分稀少，难以大范围使用，因此，寻找一种低廉的铂替代品成为近些年来的研究热点。过渡金属的氯化物、碳化物、氮化物以及金属合金因其低廉、高化学稳定性以及优良的电催化性质，作为催化剂及其支持物已经被广泛地用于析氢反应的研究当中，这些体系一般在酸或碱性的条件下能够表现出很好的活性，此外还有一些能够在中性环境中使用的析氢反应催化剂，从而减少了对环境的影响并且能够提升其生物兼容性。本课题所要制备的硫化钴纳米晶是利用电沉积法得到的一种高效析氢反应催化剂，具有高活性、低过电位、在水体系中保持长期稳定性等优良特性，此外，硫化钴纳米晶能够很容易负载在半导体材料上，因此其在太阳能领域亦具有良好的应用前景。国内外发展状况 过渡金属硫化物如硫化钼、硫化钴等材料作为水分解析氢反应的电极材料是目前研究的一大热点，MoS2纳米材料最先被证明是一种良好的析氢反应催化剂，随后通过对MoS2材料结构上的修饰提升了催化剂的性能，其他硫化物如WS2、CoS2、FeS均有报道可作为催化材料。对这些材料的研究发现，组成和结构（包括晶体结构和纳米结构）对材料的催化性能和适用体系有重要影响。W、Mo的硫化物在酸性介质下表现出良好的催化性能，但是在中性或碱性介质下活性很低且不稳定；此外，CoS2适合于酸性介质条件，但是通过电沉积法得到的多孔CoSx只有在中性介质中才能表现出良好的活性。由此可以看出析氢反应催化剂对于反应体系pH的敏感性。但是也有报道指出经过碳修饰的Co9S8在全pH范围内（pH 014）都具有良好的活性和耐受性。总之，钴的硫化物作为一种非贵金属材料已成为析氢反应催化剂材料的重要研究对象之一。研究目标析氢反应电极材料的重要指标包括活性、过电位大小、Tafel斜率等。本项目研究的目的是制备出一种性能优异的硫化钴电极材料使其具有高活性，较低的过电位以及良好的稳定性，从而应用于析氢反应当中，实现反应过程的绿色、高效、经济。研究方法1、硫化钴材料的制备：目前，硫化钴材料的制备方法主要有电沉积法和水热法，本项目拟通过循环伏安法在碳纤维上沉积得到电极材料硫化钴。2、硫化钴材料电催化性能测试：利用电化学工作站测得各项电化学性能指标，通过扫描电子显微镜得到材料的形貌特征，通过X射线衍射测得其组成。研究内容本实验采用循环伏安法在碳纤维纸上沉积出电极材料硫化钴。1、 改变循环伏安的圈数，探讨循环伏安圈数对所得产物性能的影响；2、 改变原料中的钴、硫配比，探讨钴、硫配比对所得产物性能的影响；最后得到产物最优条件下的伏安圈数以及钴、硫配比。进度安排 2015年3月 查阅相关文献，确定项目进行的实验思路，学习实验室安全操作守则，了解药品、仪器使用规范；2015年4月完成实验，整理数据，对实验结果进行分析评估，得出实验结论；2015年5月向导师汇报实验过程及所得结论，完善项目成果并撰写论文；2015年6月论文查重，准备答辩。可行性分析 水分解制氢是替代传统能源的重要方式之一，近几年的研究表明，硫化钴作为一种价廉易得的析氢反应电极材料具有重要的应用前景，通过材料结构的改进和对制备条件的优化，将会进一步提高反应的活性，本项目的开展具有很好的实践意义。根据相关报道，硫化钴中S/Co比对于电极材料的活性有影响，同时在制备过程中电解过程进行的程度也将对电极材料的性能产生影响，因此本项目拟通过调节原料中的S/Co比和循环伏安的圈数得到最优条件下的硫化钴材料。已具备的实验条件 课题组目前拥有电化学工作站两台，一台是荷兰进口的Autolab，另一台是美国进口的Princeton；课题组药品充足，实验用品，防护器具一应俱全。参考文献 1 Sun Y，Liu C， Grauer D C，et alElectrodeposited Cobalt-Sulfide Catalyst for Electrochemical and Photoelectrochemical Hydrogen Generation from WaterJ Journal of the American Chemical Society，2013，135(47)：17699-177022 Zou XCarbon-armored Co9S8 nanoparticles as all-pH efficient and durable H2-evolving electrocatalystsJACS applied materials & interfaces，20143 Peng S，Li L，Han X et alCobalt Sulfide Nanosheet/Graphene/Carbon Nanotube Nanocomposites as Flexible Electrodes for Hydrogen EvolutionJAngewandte Chemie International Edition，2014，53(46)：12594-125994 Chandrasekaran S，Choi W M，Chung J S et al3D crumpled RGO-Co3O4 photocatalysts for UV-induced hydrogen evolution reactionJMaterials Letters， 2014，136：118-1215 Wang L，Lin C，Huang D et alA Comparative Study of Composition and Morphology Effect of NixCo1x(OH)2 on Oxygen Evolution/Reduction ReactionJACS applied materials & interfaces，2014，6(13)：10172-101806 Zhu Y，Xu Y，Hou Y et alCobalt sulfide modified graphitic carbon nitride semiconductor for solar hydrogen productionJInternational Journal of Hydrogen Energy，2014，39(23)：11873-118797 Yu Z，Meng J，Xiao J et alCobalt sulfide quantum dots modified TiO2 nanoparticles for efficient photocatalytic hydrogen evolutionJInternational Journal of Hydrogen Energy，2014，39(28)：15387-153938 Kong C，Min S，Lu GDye-sensitized cobalt catalysts for high efficient visible light hydrogen evolutionJInternational Journal of Hydrogen Energy，2014，39(10)：4836-48449 Zhang Y，Rosen J，Hutchings G S et alEnhancing photocata