自支撑电催化电极的制备表征及其应用PPT课件

8.自支撑电催化电极材料的制备、表征及应用,专业班,化学化工学院,ABC,答辩人,目录,KUANGJIAWANZHENGDELUNWENDABIANDONGTAIMOBAN,目录,Contents,Part1,Part2,Part3,Part4,Part5,文献检索过程,自支撑电催化电极材料制备,自支撑电催化电极材料表征,自支撑电催化电极材料的应用,小结,文献检索过程,Part1,文献检索过程,解读课题,确定关键词：自支撑电催化电极材料关注重点：制备方法表征方法应用领域,检索思路,使用数据库,文献筛选原则,文献量,难题,百度了解自支撑电催化电极的大致领域，利用中国知网进行检索，阅读后检索英文文献,百度、必应、中国知网、万方、webofscience,先看综述确保大方向正确，然后根据时间优先、被引量高优先、期刊影响因子优先、含关键词优先、摘要与方向一致优先,中文（包含专利、综述）21篇+16篇英文文献（包含综述）,将所有关键词列上去无法搜索出文献，部分文献无法下载，精确检索文献量少,关键词,自支撑（slef-supported/slef-supporting/）,将活性组分或者电催化剂以某种共价键或化学吸附的形式结合在能导电的基底电极（集流体或者电极）上，可达到既能传递电子，又能活化底物的双重目的。,电极材料(electrode/electrodematerials),电极是电解过程中，电流进入或离开电解液的导体,电催化(electrocatalysis),一类发生在电极表面，导致电化学反应速率改变的催化反应，其电催化性能与外加电势密切相关,01,02,03,文献检索过程,文献检索过程,文献检索过程,阅读文献汇总,文献整理记录,制备方法,Part2,自支撑电催化电极材料类型,2.1自支撑电催化电极材料的重要组成部分,3,部分,组成部分,集流体,电催化剂,复合,有铜箔、钴、石墨烯、氧化石墨烯、纳米碳纤维等导电性优良的集流体，因为电极除了提供电化学反应的界面之外，还是导电的介质，将电子运输到反应界面。,镍、四氧化三钴、CoONas、Ni1-xFexOOH、碳化二钼、硫化亚铜、纳米氧化亚铜等，起到加速电化学反应,一般是在优良的集流体或改性的集流体上原位生长或自组装上具有微纳米结构的催化性能优异的电催化剂,自支撑电催化电极材料制备方法,.,15,静电自组装退火法,磷化法,直接退火处理法,水溶液和微乳液介导法,WeixinZhang等人利用该方法在铜箔表面制备出多尺度的CuO纳米棒阵列和微阵列适宜锂离子电池的吸脱附、溶液扩散,ChengenHe等采用静电自组装退火法Co3O4/石墨烯复合薄膜用作超级电容器的自支撑电极有序可控但工艺复杂,Cheng-ZongYuan等人采用该方法成功制备出Co2P/Co箔电极在碱性条件下对电解水的阴阳极反应均有较好催化性能简单易行，但氧化过程和磷化过程能耗高,JianXiao等人利用该方法制备出了高性能的BCF/Mo2C-0.4电极方法可推广但范围有限,自组装法-高温原位固化,一步水热原位制备法,樊梅红以一步水热原位法使硫化亚铜纳米片致密均匀地生长在泡沫铜表面，成功制备出Cu2S/CF复合自支撑电极材料简单但可控条件较少,樊梅红采用了自组装原位高温方法制得了电催化活性较高的Mo2C/CC自支撑电极工艺较为简单，但高温过程能耗高,常见制备方法,Normalpreparationmethods,.,16,自支撑电催化电极材料制备案例-水热法,.,17,自支撑电催化电极材料制备案例-溶剂热法,.,18,自支撑电催化电极材料制备案例-静电自组装与退火法相结合,表征方法,Part3,.,20,电化学性能测试,结构和组成分析,仪器：电化学工作站（CHI660E）测试方法：循环伏安法塔菲尔曲线定时定压电解判稳定性电化学阻抗法测总电阻大小一定电流密度下的过电位来表示电催化活性恒压电解，根据产氢量和产氢速率，判别电解水产氢的催化活性,组成分析：红外光谱仪、元素分析、粉末X-射线衍射仪、电感耦合等离子体光谱仪、光电子能谱仪、热重分析仪形貌结构：扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射、高分辨透射电镜、,表征方法,.,21,表征方法及原理,METHODSOFCHARACTERIZATIONS,延时符,扫描电子显微镜（SEM）原理：扫描电子显微镜通过将电子束打在样品表面，采集分析二次电子，背散射电子，或吸收电子信号来观察材料的表面组成，形貌等型号：日本公司生产的HitachiS-4800型扫描电子显微镜测试条件参数：加速电压为（？）KV用途：表征所制备物质的形貌结构、表面组成,.,22,表征方法及原理,METHODSOFCHARACTERIZATIONS,延时符,透射电子显微镜（TEM）原理：透射电子显微镜是一种可以观察微观结构和超微观结构的仪器，它可以展现材料的内部表面形貌，它的观测范围要小于0.2nm。并且利用透射电子显微镜可以研究材料的晶格条纹相，晶胞参数以及生长方向等等。型号：日本JEOLJEM-3010型透射电子显微镜测试条件：测试电压为（？）KV用途：表征所制备的自支撑电催化电极材料的微观形貌结构及晶体生长方向等，对于可控合成有重要意义,.,23,表征法法-SEM（表面形貌表征）-TEM,Figure1.(a)SEMimageofBCF.(b,c)SEMimagesofBCF/Mo2C.Inset:opticalphotographofaBCF/Mo2Celectrodeinafoldedstate.(d,e)TEMimagesofBCF/Mo2Celectrode.(f)EDXspectrumand(gi)elementalmappingofaBCF/Mo2Celectrode.Figure,.,24,表征方法及原理,METHODSOFCHARACTERIZATIONS,延时符,广角X射线衍射(WAXRD)WAXRD原理：是一种对材料定性的基本表征手段。由于X射线在晶体中发生衍射作用，经过对材料的峰位置和强度与标准粉末衍射的PDF卡片JCPDS进行比较对比，得到材料的晶相，达到对材料进行定性分析的目的。型号：德国Bruker生产的D8Advance型的X射线粉末衍射仪测试的条件参数：CuK（=1.5406），扫描速度（？），管电压为（？）V，管电流为（？）mA。用途：检测原材料是不是简单的混合，对否有新物质产生,.,25,表征方法及原理,METHODSOFCHARACTERIZATIONS,延时符,X射线光电子能谱（XPS）原理：X射线光电子能谱技术（XPS）是电子材料与元器件显微分析中的一种先进分析技术，而且是和俄歇电子能谱技术（AES）常常配合使用的分析技术。由于它可以比俄歇电子能谱技术更准确地测量原子的内层电子束缚能及其化学位移，所以它不但为化学研究提供分子结构和原子价态方面的信息，还能为电子材料研究提供各种化合物的元素组成和含量、化学状态、分子结构、化学键方面的信息。它在分析电子材料时，不但可提供总体方面的化学信息，还能给出表面、微小区域和深度分布方面的信息。另外，因为入射到样品表面的X射线束是一种光子束，所以对样品的破坏性非常小。这一点对分析有机材料和高分子材料非常有利。,.,26,表征法法-WAXRD-XPS,Figure2.(a)Wide-angleXRDpatternsofBCFandBCF/Mo2Celectrodes.ThestandardXRDpatternofMo2Cisalsogivenforreference.(b)Thehigh-resolutionMo3dcore-levelXPSspectrumofaBCF/Mo2Celectrode.,.,27,表征方法及原理,METHODSOFCHARACTERIZATIONS,延时符,电化学阻抗谱（EIS）原理：给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流电势波，测量交流电势与电流信号的比值（此比值即为系统的阻抗）随正弦波频率的变化，或者是阻抗的相位角随的变化。型号：瑞士万通AutoLab8-series型号的用途：通过测量阻抗随正弦波频率的变化，进而分析电极过程动力学、双电层和扩散等，研究电极材料、固体电解质、导电高分子以及腐蚀防护等机理。测试条件：在三电极体系（工作电极、对电极、参比电极和电解液）下进行测试。,.,28,表征方法及原理,METHODSOFCHARACTERIZATIONS,延时符,恒电位测试原理：恒定不变的电势，检测在固定电位下的电流密度的一种测试方法。型号：CHI660E电化学工作站用途：用于电极过程动力学，电极，电镀，电解，金属相分析及电化学保护参数测试中。可以测自支撑电催化电极材料在不同介质中的化学稳定性,.,29,表征方法及原理,METHODSOFCHARACTERIZATIONS,延时符,循环伏安(CV)原理：循环伏安法是在电化学测试及光电化学测试中常用的方法，此方法通过控制不同的扫速与电压，随着时间以三角波形反复扫描。而在所设定的电势范围内，可以让电极材料发生氧化还原反应。根据曲线的形状大小判断电极反应的可逆程度、中间体或者新相形成的与否。型号：CHI660E电化学工作站用途：循环伏安法常用来测定电极的反应参数，推断反应机理，观察整个扫描范围内的可能反应。,.,30,表征法法-电化学测试,Figure3.(a)LSVcurvesofBCF,BCF/Mo2C,andcommercialPt/C(20%)catalystsmeasuredin0.5MH2SO4.(b)Nyquistplotsofelectrochemicalimpedancespectroscopy(EIS)forobtainedelectrodesattheoverpotentialof100mV.(c)PicturesofawaterdropletonthesurfaceofbareBCF(left)andBCF/Mo2C-0.4(right).(d)Tafelplotsofcorrespondingelectrodes.(e)LSVcurvesofBCF/Mo2C-0.4electrodebeforeandaftercyclicvoltammetryfor1000and5000cyclesin0.5MH2SO4.(f)ChronoamperometriccurveofBCF/Mo2C-0.4electrodemeasuredattheoverpotentialof150mVin0.5MH2SO4.,应用,Part4,.,32,应用及前景,APPLICATIONSANDPROSPECTS,延时符,超级电容器作为重要的储能器件，它不仅在大型化的可再生不稳定发电领域、电动汽车、航空航天等领域有较好的前景，而且在微型化、轻便化的可穿戴微电子领域也有微电池般的前景。,制备高性能的超级电容器,锂离子电池具有较高的比能量，但目前面临的主要问题是安全问题，发展的方向是小型便携化，如果能开发出安全可靠的、嵌入、脱出自由的、提及收缩变化自如的自支撑电催化电极材料将推动锂离子电池发展历程的又一高潮。,锂离子电池,燃料电池以其相对于燃煤发电厂具有高效的能量转化效率，因而备受人们的青睐，因此如果能将自支撑材料的超级电容器以及自支撑电催化电极材料应用到燃料电池领域，那么燃料电池的电动汽车有望研发出来,燃料电池,自支撑电催化电极材料主要用于电解水中的催化。氢气是公认的清洁能源，它不仅燃烧能量高，而且产物环境友好。加之氢气还可以作为太阳能、风能等转化为电能后，通过能量转换将电能储存到氢气的化学能中，但目前氢气的储运还是一大难题,制备氢能源,.,33,应用-电解水制氢,.,34,应用-超级电容器,基于原位合成技术的活性物质材