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研究生: 楊玗修
Yang, Yu-Hsiu
論文名稱: 開發新型態氮摻雜二硫化鈷催化劑於電催化產氫反應之應用
Development of Active Nitrogen-doped Cobalt Disulfide Catalyst for Hydrogen Evolution Reaction
指導教授: 陳家俊
Chen, Chia-Chun
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 75
中文關鍵詞: 產氫電解水二硫化鈷
英文關鍵詞: CoS2, Nitrogen-doped
DOI URL: https://doi.org/10.6345/NTNU202203613
論文種類: 學術論文
相關次數: 點閱:191下載:5
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  • 在現今石化燃料的快速消耗下,尋找新興替代能源逐漸受到關注。在許多的替代能源中,氫氣燃料電池為最具發展潛力的能源之一,因其原理簡單、在反應時其轉換效能也很高,且過程中不會產生危害地球的溫室氣體,例如二氧化碳或甲烷等產物。

    氫氣能從許多來源中產生,而其中電解水(water electrolysis)是最具潛力的方法,然而對於電解水產氫,鉑金屬類的少數貴金屬雖具有相當高效能的催化活性與穩定度,但是其含量稀少與價格昂貴,限制了大量製造與普及化可能性。因此開發便宜且地球含量豐富的析氫觸媒材料為我們研究的重點方向。

    本實驗利用水熱法(hydrothermal)配合化學氣相置換法方式,合成氮摻雜之二硫化鈷。藉由異質結構增加活化位置,來提升析氫觸媒的表現。在極化曲線中,我們可以發現此材料擁有很好的催化活性,其Onset potential 約50mV,Tafel slope值約52mV/decade,並展現良好的長程穩定性。

    Because of the continuous increase of energy consumption, it is urgent to find the earth-abundant and eco-friendly energy sources. Among all the possible candidates, hydrogen energy has been considered one of the most promising alternatives, which has many advantages, including high energy conversion efficiency, few side reactions, almost complete combustion, and zero greenhouse gas emission.

    Among all the hydrogen generation methods, water electrolysis has been considered one of the most potential ways. Regular water electrolysis is operated under the noble metal catalysts, of which the price makes its further applications limited. Therefore, a low-cost, earth-abundant, and easily synthesized alternative should be rendered.
    In this work, we have already synthesized nitrogen-doped cobalt (II) disulfide using both hydrothermal and chemical vapor deposition, in which synergistic effects between nitrogen and cobalt disulfide not only produce a higher surface area but also expose a larger fraction of edge sites, leading to significant improvement in the hydrogen evolution reaction. The as-prepared sample was carefully examined under scanning electron microscope and linear sweep voltammetry, showing extra high specific area, ultra low overpotential, and long-term stability.

    總目錄 總目錄 I 圖目錄 IV 表目錄 VII 摘要 1 Abstract 2 第一章 緒論 3 1-1 前言 4 1-2 產氫方式 7 1-2-1 石化燃料產氫 9 1-2-2 熱化學法 11 1-2-3 生質能產氫法 13 1-2-4 電化學產氫法 15 第二章 基礎理論原理 18 2-1電解水反應 19 2-2法拉第電解定律(Faraday’s Laws of electrolysis) 21 2-3 吉布斯自由能(Gibbs Free Energy) 23 2-4 過電位 (Overpotential) 24 2-4-1 濃度過電位 (Concentration overpotential) 25 2-4-2 活化過電位 (Activation overpotential) 26 2-4-3 歐姆過電位 (Ohmic overpotential) 27 2-5 塔弗方程式 (Tafel equation) 29 第三章 文獻回顧與研究動機 31 3-1 常見析氫反應機制 32 3-2 金屬硫化物觸媒 34 3-3 磷摻雜之金屬硫化物觸媒 37 3-4 氮摻雜之觸媒 39 3-5 研究動機與目的 41 第四章 實驗儀器與實驗步驟 42 4-1實驗儀器 43 4-1-1高溫爐 43 4-1-2恆電位儀 44 4-2分析儀器 45 4-2-1 X-光繞射分析儀 45 4-2-2 掃描式電子顯微鏡SEM 47 4-3 實驗藥品 48 4-4 實驗步驟 49 4-5 電解裝置介紹 50 4-5-1 工作電極 ( Work electrode, WE ) 51 4-5-2 輔助電極 ( Counter electrode, CE ) 51 4-5-3 參考電極( Reference electrode, RE ) 52 4-6 電化學測量方法 54 4-6-1 線性掃描伏安法 (Linear Sweep Voltammetry) 54 4-6-2 循環伏安法 (Cyclic Voltammetry) 56 4-6-3 交流阻抗法 (AC Impedance) 57 第五章 結果與討論 58 5-1 材料合成與分析 59 5-1-1 氧化亞鈷電極材料之鑑定 59 5-1-2 二硫化鈷電極材料之鑑定 61 5-2 特性量測結果 63 5-2-1不同成長條件之氧化亞鈷效果測量 63 5-2-2不同成長條件之二硫化鈷效果測量 66 5-2-3穩定度測試與結果比較 69 第六章 結論與未來展望 71 第七章 參考文獻 72 圖目錄 圖1-1 : 電解水之陰陽極反應及其反應電位 5 圖1-2 : 常見再生能源優缺點 6 圖1-3 : 工業上常見的產氫方式 7 圖1-4 : 產氫方法 8 圖1-5 : 常見的產氫方式分類 8 圖1-6 : 水蒸氣-甲烷重組法反應式 9 圖1-7 : 水蒸氣-甲烷重組法簡易裝置圖 9 圖1-8 : 部分氧化法產氫反應式 10 圖1-9 : 煤碳汽化法產氫反應式 10 圖1-10 : 熱化學循環分解水產氫反應式 11 圖1-11 : 生質能產氫反應 13 圖1-12 : 生質氫氣整合系統 14 圖1-13 : 生物產氫與其他技術整合 14 圖1-14 : Fujishima和Honda以TiO2進行光催化反應 16 圖1-15 : 光催化反應機制 16 圖1-16 : 電解水產氫反應機制圖 17 圖2-1 : 電解水示意圖 20 圖2-2 : 活化過電位與電流密度關係圖 26 圖2-3 : 有無氣泡之總歐姆過電位關係圖 28 圖2-4 : 陰陽極與塔弗方程式關係圖 30 圖3-1 : 不同的金屬材料氫鍵自由能的比較 32 圖3-2 : 兩種析氫反應之反應機制 33 圖3-3 : 過度金屬硫化物極化曲線與塔弗曲線圖 34 圖3-4 : 鋰離子遷入時MoS2結構變化與效果圖 35 圖3-5 : 以水熱法製備1T-MoS2之結構變化與效果圖 35 圖3-6 : 以蝕刻方式製備Double-gyroid結構之MoS2 36 圖3-7 : 以理論計算比較CoS2和CoPS的結構差異 37 圖3-8 : 不同結構之CoPS的效果圖 38 圖3-9 : 花狀之MoPS的結構與效果圖 38 圖3-10 : MoS2吸附在N-CNT製成示意圖 39 圖3-11 : MoS2@N-CNT電催化效果圖 39 圖3-12 : 氮摻雜石墨烯催化效果圖 40 圖3-13 : MoO2@N-doped MoS2催化效果圖 40 圖4-1 : 高溫爐儀器裝置圖 43 圖4-2 : 恆定電位儀儀器裝置圖 44 圖4-3 : 粉末X光繞射分析儀儀器裝置圖 45 圖4-4 : 粉末X光繞射分析儀詳細規格圖 46 圖4-5 : 掃描式電子顯微鏡儀器裝置圖 47 圖4-6 : 實驗步驟流程圖 49 圖4-7 : 實驗步驟流程卡通圖 49 圖4-8 : 電解實驗裝置圖 50 圖4-9 : 銀/氯化銀參考電極與儀器詳細規格圖 53 圖4-10 極化曲線圖譜(電壓與電流密度之特徵曲線) 55 圖5-1 氧化亞鈷SEM圖 60 圖5-2 氧化亞鈷SEM mapping圖 60 圖5-3 氧化亞鈷XRD圖 60 圖5-4 二硫化鈷SEM圖 62 圖5-5 二硫化鈷SEM mapping圖 62 圖5-6 二硫化鈷XRD圖 62 圖5-7 以不同方式摻雜氮效果測試圖 64 圖5-8 不同鈷前驅物與溶劑效果測試圖 65 圖5-9不同比例之前驅物效果測試圖 65 圖5-10不同硫化程度效果測試圖 66 圖5-11不同硫化溫度效果測試圖 67 圖5-12不同基板效果測試圖 68 圖5-13 穩定度效果測試圖 69 圖5-14 與歷屆硫化物效果比較圖 70 表目錄 表1-1 : 常見燃料之燃燒熱 5 表2-1 : 在不同環境下電解水的反應 19

    第七章 參考文獻

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