2.1.2实验仪器和设备 9

2.2表征方法及原理 10

2.2.1 X射线光电子衍射即EDS 10

2.2.2  X射线衍射即XRD 10

2.2.3 X射线扫描电镜即SEM 10

2.2.4 线性伏安扫描法即LSV 10

2.2.5电化学阻抗谱即EIS 11

第3章  金属掺杂N原子的碳材料作为析氢催化剂的研究 12

3.1引言 12

3.2实验部分 12

3.2.1Fe-NGT的制备 12

3.2.2材料表征 12

3.3 结果和讨论 13

3.3.1金属掺杂N原子负载于碳材料的结构表征 13

3.3.2 Fe-NGT催化剂的电化学性质 16

第4章 结论 21

致谢 23

参考文献 24

第1章 绪论

1.1 析氢

1.1.1 析氢的原理

对于析氢反应：在酸性中两个氢离子得到电子变成氢气，在碱性中两分子的水失去两个电子析出氢气逸出。

在电化学中存在阴极极化，阴极极化会产生电势，称为阴极极化电势或氢超电势η。材料的电阻过大，会使得电解槽的槽电压变大，增加能耗[1]。就已报道的方法来看，当前最有效的方法之一就是降低氢的阴极析出电位，来降低电解中能源损耗。因此，研究开发新型廉价的，具有较高催化活性的析氢电极催化材料在理论和现实上是非常重要的[2]。

1.1.2 电解水析氢的反应历程

现在，被认可的的电催化制氢的反应历程包括四个步骤（1）液相传质步骤，此步骤的控制速度的主要是传质过程控制。（2）电化学吸附步骤；（3）还原离子表面脱附步骤；（4）脱附步骤：还原的氢原子结合生成氢气。

电化学析氢的总历程可以被总结如下：

在酸性体系中，总反应：2H-+2e-→H2

反应历程：H++e-→H*

H++e-+H*→H2

或2H*→H2

在碱性体系中，总反应：2H2O+2e-→2OH-+H2[3][1]

反应历程：H2O+2e-→2OH-+H*

         H2O+e-+H*→OH-+H2

或者2H*→H2

在酸性中性碱性体系中，析氢反应的第一步就是氢原子吸附在电极表面，这也是最重要的一步，如果不能吸附，则氢原子不能发生后续的还原[3]。在第二步反应中，氢原子和质子结合然后与电极表面吸附氢原子结合形成一个氢分子，或由两个氢原子直接结合形成氢分子。而在碱性体系中，氢原子的来源是水的解离，氢原子的吸附与氢原子在酸性体系中几乎相似。由于水的解离所需的能量从而影响了整个反应的反应速率[4]。

1.2提高电极催化活性的方法

提高析氢电极催化活性最有效的方式有三种:第一种是向电解液中加入少量催化作用物质，催化物质很少便可起到作用，像电镀中的光亮添加剂一样；第二种是替换阴极材料；第三种修饰阴极材料的表面。从能量因素考虑，因为能量在整个反应中显得尤为重要，氢气的吸附、脱附与氢原子结合生成氢气都与能量有关。吸附氢原子能力比较弱的金属经常表现出很高的电催化制氢能力，而吸附氢能力的强弱与d轨道填充的电子数目以及轨道空余有很大关系，甚至可以说d轨道的填充的电子数目与空余密切相关，而过渡金属元素中含有空的d电子轨道，这也就是在过渡元素中寻找可靠的吸附氢能力较弱且能高效析氢金属材料的原因。因此，在过渡金属区选择金属元素作为析氢材料是比较合适的。选择合适的过渡金属原子时，需要结合中心原子的周围环境，综合一些必备的因素考虑如：导电性、电化学稳定性和必要的催化活性。这也是电化学催化电极设计的主要任务。目前已知的文献报道所用的析氢催化剂大多还是以铂及其同族金属为主（铂具有稳定性和高催化效率），但是由于铂成本较高，无法满足工业生产析氢的需求。近年来，人们的主要研究方向是负载型催化剂，利用沉积金属，并使金属沉积层分布均匀。其目的是增大有效比表面积，提高电化学稳定性，同时达到改善催化性能的目的。此外，镍族（VIII族）金属也可以作为活性电极材料，（VIII族金属，如Fe、Co、Ni）的合金能有效降低析氢超电势。因此，运用以上几种方法为制备高催化活性电极材料提供了理论指导，也可以说为相关的制备析氢电极的提供了理论依据。