3.3.2 氮化铌电催化性能表征 15

3.3.3 Nb2O5/P电催化性能表征 16

3.4 本章小结 17

结论 18

致谢 19

参考文献 20

1  引言

1.1 选题背景及意义

自工业以来，全世界都在大力发展现代工业，其以消耗大量不可再生的化石能源为成本和前提，因而导致目前可利用的能源越来越少，加上目前寻找可替代的新能源的开发进程十分缓慢，所以如何合理地利用有限能源以及降低工业生产中的能耗成为了目前广大科研工作者聚焦的问题，而这一难题的解决方法之一便是提高化学反应速度。电化学催化的主要研究方向是加速电极上电催化反应速度，刚好适应了我们的急迫的需求。我们知道如果采用电催化电极在工业生产中降低电极电位可以帮助我们,尤其是在强电流电解过程中,可以达到大大地节能降耗的效果[1]。

电催化法是一种使电极和电解质界面上的电荷转移速度加快从而加快电极反应的方法，因此电催化技术中催化剂种类的选择至关重要，合适的电极材料对于加速电极反应是必需的。在通电过程中，我们所选用的电极材料一般具有催化剂的作用，因此能够改变电极反应速率或者反应方向，而本身并不会发生质的变化。

在大多数电化学反应中，由于反应需要在电解质溶液中进行，所以我们都使用导电性良好的电极，因此我们一般选择金属和半导体这两大类催化电极材料。目前电催化研究较多的半导体氧化物有碳化钨、钠钨青铜、骨架镍、硼化镍，以及各种金属间化物及酞菁一类的催化剂。基础电极一般采用贵金属电极如 Pt 和碳电极如石墨等；常用的电催化电极载体多为聚合物膜和一些无机物膜[2]。除此之外材料的电催化性能也会被电极表面的微观结构和形貌影响，而制备电极的方法直接决定电极的表面结构，所以我们需要在制备电极时选择合适的方法。目前电催化电极的主要制备方法有化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（PVD）、浸渍法（或涂刷法）、电沉积法、电化学阳极氧化法，以及溶胶－凝胶法等[3]。

在过渡金属氧化物中，具有高比表面积、较宽的带隙、高化学稳定性和耐腐蚀性的多孔Nb2O5，在催化剂、气体传感器材料和光学系统中得到了广泛应用[39]。比如，因为Nb2O5 薄膜的优异的光学性能，可作光致变色材料[40]。物理和化学气相沉积法如反应溅射法[41]、模版法[42]、热氧化法[43]、溶胶凝胶法[44]等，都可以制备多孔 Nb2O5 薄膜。其中阳极氧化法制备 Al2O3，TiO2 多孔膜早已作为一种自组织多孔薄膜材料的制备方法[45]，但阳极氧化制备 Nb2O5 多孔膜，需要我们进一步的深入研究。

目前，在含氟的酸性或中性电解液中，通过控制电化学阳极氧化的各种条件如电压、氧化时间和电解液组成等，可以在 Nb 基体表面制得多孔氧化铌薄膜。Tzvetkov 等[46]研究了电解液中HF 浓度、反应电压对在酸性电解液中生成的 Nb2O5 纳米孔的影响，并且描述了其形成过程。 Norlin 等[47]在磷酸盐缓冲电解液中通过在阳极施加高压脉冲电流的方法在纯铌金属表面制备多孔 Nb2O5 薄膜。Habazaki等[48]在160 ℃，K2HPO4—甘油电解质中以恒电流模式氧化直到电压升到10 V，然后以恒电压模式氧化1 h形成了多孔阳极氧化物薄膜，表明了在非水电解质阳极氧化电解中，我们可以通过水的含量来控制氧化速率。

因阳极氧化法制备多孔 Nb2O5 膜的机理目前并无太多发展，于是我们参考了目前较成熟的阳极氧化方法制备氧化铝的“场致溶解”机理来指导实验进展。该机理认为，阳极氧化过程中可生成两种类型的氧化膜：致密型和多孔型。而在金属的阳极氧化过程中得到哪种类型的膜是由电解液的本质决定的。如果电解液中含有氟离子、高氯酸盐、氯离子或溴离子[49-51]，阳极氧化时我们一般会得到多孔型阳极氧化铝膜，而电解液中如果不含氟或卤离子，一般得到致密型氧化铝膜。