新型電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化反應(yīng)中納米催化劑的設(shè)計、制備和應(yīng)用.pdf

1、生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)和CO2電化學(xué)還原反應(yīng)具有從廢棄物中回收、利用和合成有用資源的潛力，屬于新型的電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化過程。如何設(shè)計和合成性能優(yōu)異的催化劑是廢棄物電化學(xué)轉(zhuǎn)化中的一個共性問題，也是廢棄物資源化過程中面臨的一個重大挑戰(zhàn)。本論文針對上述新型電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中催化劑效率低的問題，以納米材料設(shè)計合成為核心，通過電極材料制備、反應(yīng)過程解析和實際應(yīng)用效果評價等手段，研發(fā)新型的BES和CO2電化學(xué)轉(zhuǎn)化納米催化劑，提高轉(zhuǎn)化效率，為它們

2、的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。論文主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　1.以多壁碳納米管為原材料制備了氧化石墨烯納米帶（GONRs），并通過電泳方法制成GONRs修飾碳紙用作BES陽極材料。電化學(xué)實驗證實了GONRs能夠加速Shewanella oneidensis MR-1表面細(xì)胞色素c的電子傳遞;同時，由于GONRs具備較大的電化學(xué)活性面積，電子媒介的電子傳遞作用也得到了增強(qiáng)。微生物燃料電池(MFC)試驗進(jìn)一步驗證了GONRs修

3、飾電極的應(yīng)用潛力，在GONRs的幫助下，不管是使用純菌還是混合菌的MFC的功率密度都有了較大提升。這種增強(qiáng)效果得益于GONRs極大的長徑比，可以作為納米線進(jìn)行電子傳遞，同時其良好的電化學(xué)活性也增強(qiáng)了電子媒介的電子傳遞能力。
　　2.利用電化學(xué)沉積法在碳紙表面沉積修飾了Pd納米顆粒。電化學(xué)測試結(jié)果表明，所制備的納米Pd電極在中性的電解液環(huán)境中具有較低的產(chǎn)氫過電位，并且具備良好的穩(wěn)定性。在微生物電解池(MEC)陰極產(chǎn)氫反應(yīng)中，納米Pd

4、電極表現(xiàn)出很好的催化活性，與商品化的鉑黑催化劑相比，其單位質(zhì)量的催化效果是鉑黑的50多倍，而負(fù)載量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鉑黑，展現(xiàn)了應(yīng)用于MEC電極材料的良好潛力。
　　3.用檸檬酸鈉輔助光化學(xué)還原PdCl42-和GO的方法一步制得分散性良好的rGO載Pd納米顆粒材料。由于未使用表面活性劑，所制得的納米復(fù)合材料可以直接使用而無需額外的表面處理或退火。ORR測試表明用該方法制備得到的rGO-Pd具有卓越的催化活性和穩(wěn)定性。這種活性的提高是石墨烯

5、和納米Pd相互作用的結(jié)果。這種新型的催化劑具有應(yīng)用于BES陰極的前景。同時，這種合成方法也提供了一種在溫和條件下無需精細(xì)調(diào)控即可獲得具有優(yōu)異催化性能的rGO載金屬納米顆粒材料的合成新策略。
　　4.合成了Au-Fe3O4納米顆粒，并通過電化學(xué)還原使之還原為Au-Fe啞鈴狀納米顆粒。所得到的Au-Fe在電化學(xué)CO2還原反應(yīng)過程中表現(xiàn)出產(chǎn)烴的催化活性。產(chǎn)物分析表明其主要催化產(chǎn)物為C2H4、C2H6、C3H6和C3H8，此外還有微量的C