钴氮共掺杂多孔碳材料的制备及电催化产氢性能研究

摘 要：氢气不仅是一种清洁、无污染的气体，其在燃烧的过程中也能够散发出较高的热量，所以人们逐步提高了对电器催化产氢性能的研究。电解水制氢是目前最常采用的制备氢气的方法，为了能够有效的提高电解水制氢的产气率，就需要在制备的过程中选择高效的电极材料。最近几年，钴氮共掺杂多孔碳材料在电催化产氢性能中的应用得到了人们高度的重视。本篇文章采用不同的方法制造了活性高且经济的钴氮共掺杂多孔碳材料，并且对其结构和析氢活性进入了深入的研究

关键词：钴氮共掺杂;多孔;碳材料;电催化;产氢

1 介孔碳材料

介孔碳材料的制备方法：

硬模板法和软模板法是介孔碳材料在制备过程中常采用的两种合成方法。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应用的模板是由硅胶和多孔玻璃制作而成。因为制作模板的硅胶和多孔玻璃都属于无序结构，所以有这种模板制作而成的介孔碳材料的结构也是无序结构。有序介孔碳材料是由Ryoo研究小组提出。有序介孔碳材料在使用的过程中采用了MCM-48为模板，从而制作出了有序介孔碳材料，并命名CMK-1。之后研究人员反复经过了大量的实验向人们证明在有序介孔碳材料制作的过程中采用这种制作方法具有可行性，但是经过反复大量的实验得出的介孔碳材料没有像CMK-1一样完善。依据Ryoo做出的报导，研究人员依次对合成有序介孔碳材料开展了研究项目。

将软模板法于硬模板法相比较，软模板法在制作的过程中通常采用合适的两亲分子和碳前驱体，并借助有机--有机自组装来制作完成。从总体上来讲，软模板法在制作的过程中有三个重要点。首先，碳前驱体和软模板通过组装就可以形成有序介孔结构。其次，在得到有序介孔结构的复合物的过程中必须确保模板分子与碳分子在结合的过程中的化学性质是稳定的，并且模板分子与碳源在高温分解复合结构材料的过程中必须产生一个碳骨架结构。最后，在对股价结构进行碳化的过程中，碳前驱体必须保留其有序介孔结构从而形成一个稳定的框架。

2 析氢反应

2.1 氢气的制备方法

虽然在所有的化学物质中氢气的质量最小，但是氢气在燃烧过程中所产生的热值可以达到 273 kJ mol，所以与其他的化学气体相比较，氢气的优势可以显现。依据氢气的化学分子式我们可以看出，氢气产生主要是由两个氢分子构成，所以生气在制作过程中的主要原材料是水。比其他的化学能源相比较氢气的优势在于其不仅有丰富的储量，而且是一种可在生资源，所以将地球上的氢气进行合理的利用有利于建设和谐的生态环境。为了能够有效地缓解我国能源日益缺乏的问题，研究人员逐步开发了多种能够将氢气进行利用的科学技术。目前我国在制备氢气的过程中主要应用以下几种方法：煤炭制氢、天然气制氢、光催化法制氢、生物制氢、热分解制氢以及电解水制氢。在众多的制备氢气的方法中，电解水制备氢气方法不仅是使用最早的制备氢气的方法，而且也是应用最广泛的制氢气的方法。但是电解水制备氢气的方法在应用的过程中仍存在着很大的不足--电能消耗过大，研究人员的研究重点是如何降低电解水制备氢气过程中电能的消耗。

2.2 电解水析氢反应

电解水析氢气在反应过程中主要应用了三种电解槽，分别是碱性水电解槽、固体氧化物水电解槽、质子交换膜水电解槽。电解水析氢气在化学反应过程中所用的三种电解少各有各的优势和缺点：碱性电解槽虽然及技术比较成熟、操作简便，但是其在应用过程中所消耗的电能较多;固体氧化物电解槽虽然比碱性电解槽的产氢气率高，但是其在应用的过程中需要较高的温度;质子交换膜电解槽的优点是具有良好的气体分离性，且质子的传导性能良好。

如果Volmer反应是整个反应的速控步骤，那么就可以将整个反应过程的原理看做为吸附原理。当将速控步骤看作为Heyrovsky步骤时，研究人员便可以将整个反应过程的原理看做为电化学脱附机理。如果将速控步骤看作为Tafel 反应是速控步骤，研究人员便可以将整个反应过程的原理看作为复合脱附机理。

2.3 析氢反应特征参数

①过电位：过电位是用来描述水制备氢气化学反应过程中电极材料活性强弱的一项参数。在标准的析氢反应中，0电位是标准的电极电位，但是在实际的水电解氢气的过程中所需要的电极电位要比标准电位高出很多。过电位指的是在水制备氢气的过程中所需要的实际电位和标准情况下的电极电位之间存在的误差值。阴阳极化Tafel曲线能够反映出电流密度和过电位王者之间的关系。我们可以知道，当保持同样的电流密度时，可以通过计算过电位的大小获得电极材料催化活性的高低。当过电位越小，表明在水制备氢气的过程中消耗的电量就越小，也就代表电极材料催化性的活性越高;

②对于不同电极材料，当电流密度达到10mAcm-2时，过电位的数值可以用来衡量电化学活性强弱。当保持电流密度相同时，过电位的数值越小代表电极材料催化活性越好;

③塔菲尔斜率：认为是塔菲尔在研究过程中发现了这样一个斜率的规律，所以将该斜率命名为塔菲尔斜率。塔菲尔斜率所发现的超电势式的规律如下：超电势与电流密度在一定的数值区域内呈现出线性关系，所以可以将塔菲尔斜率当作衡量的化学活性大小的一个重要参数;

④从塔菲尔斜率变化曲线我们可以可以假设如果将塔菲尔曲线的线性部分一直向外延展就会与x轴产生一个交点，将这个命名为jo（电流密度）。电流密度是一个被用于描述电催化析氢反应的重要参数，其数值大小能够有效的表示出水制备氢气过程中电极材料电化学活性的高低。在水制备氢气过程中电极材料的电化学活性的高低与交换电流密度之间存在着密切的联系，交换电流密度越小说明电极材料的电化学活性越高。

3 结束语

日益严重的能源缺乏问题受到了人们的高度重视，所以人们逐步将热值较高且储存量丰富的氢气作为了一种应用比较广泛的新能源。并且为了能够有效的降低氢气在制备过程中对电能的消耗，研究人员做了以上所述实验研究，从而可以有效的降低氢气在制备过程中的成本。所以研究人员将实验研究的重点放在了制备出一种能够有效的提高水制备氢气中所应用的催化性较高的电极材料。

参考文献：

[1]李阔.钴氮共掺杂多孔碳材料的制备及电催化产氢性能研究[C].中国化学会、中国化学会催化委员会.第十一届全国环境催化与环境材料学术会议论文集.中国化学会、中国化学会催化委员会：沈阳师范大学化学化工学院，2018：276.

[2]李阔.钴氮共掺杂多孔碳材料的制备及电催化产氢性能研究[D].沈阳：沈阳师范大学，2018.

[3]王凯彬.过渡金属氮碳材料的制备及其氧还原电催化性能研究[D].长沙：湖南大学，2017.

作者简介：

岳晨阳（1999- ），性别：女，籍贯：辽宁省朝阳市，专业：化学（师范），学历：本科，学校：沈阳师范大学。

项目名称：钴氮共掺杂多孔碳材料的制备及电催化产氢性能研究

项目编号：L（A）2019259