摘 要

氢能是最重要的清洁能源之一，它的大规模开发及利用可以解决当前阻碍世界上各个国家可持续发展的一大难题——能源短缺，对未来能源系统的重要性不言而喻。电解水制氢由于无污染、工艺简单、效率高等优点成为研究的重点领域。近几年来，由于非贵金属具有储量高、成本低等显著优点，受到了极大的关注。

本论文中合成了一系列的非贵金属（Cu、Mn、Ni）-Salen配合物，利用核磁、红外等手段对其进行表征，并将配合物修饰在玻碳电极表面，采用线性扫描法研究配合物修饰电极对析氢析氧反应的电催化性能，之后对结果进行了比较，发现同一种材料析氢反应与析氧反应并不能同时达到良好的结果。在研究过程中，发现相对于析氧反应，析氢反应效果更好，甚至析氧反应中效果最好的塔菲尔常数也只有237.71mVdec^-1，但析氢反应中最好的塔菲尔常数可以达到60.18mVdec^-1。所以非贵金属-Salen配合物还是可以有效提高析氢反应的性能。

关键词：Salen金属配合物；电催化；析氢反应；析氧反应

Abstract

Hydrogen energy is one of the most important clean energy sources, and its large-scale development and utilization can solve the current problems that hinder the sustainable development of various countries in the world - energy shortage.The importance of the future energy system is self-evident. The electrolysis of water ,as a method with the advantages of non-pollution, simple process and high efficiency , has become the focus of research areas.

In recent years, due to non-precious metals with high reserves, low cost and other significant advantages, has been a great concern. In this paper, a series of non-noble metal (Cu, Mn, Ni) -Salen complexes were synthesized and characterized by NMR and IR. The complex was modified on the surface of glassy carbon electrode by the cyclic voltammetry. The electrocatalytic performance of the complex modified electrode was studied. The results showed that the electrocatalytic effect of the same material on the hydrogen evolution reaction and the oxygen evolution reaction was different. Salen complex exhibited better electrocatalytic performance on the hydrogen evolution reaction. For the oxygen evolution reaction, Tafel constant with the best effect of the Salen complex was only 237.71mVdec^-1. While the best Tafel constant in the hydrogen evolution was 60.18 mVdec^-1. So non-precious-metal Salen complexes can improve hydrogen evolution reaction.

Key Words：Metal Salen complexes； Electrocatalysis； Hydrogen evolution reaction; Oxygen evolution reaction

目 录

第一章 绪论 4

1.1引言 4

1.2电解水 5

1.2.1电解水的发展历史及基本原理 5

1.2.2电解水制氢 5

1.3金属Salen配合物、制备方法以及表征 7

1.3.1金属Salen配合物 8

1.3.2金属Salen配合物的制备方法 9

1.3.3金属Salen配合物的表征 9

1.4本论文研究内容 10

第二章 实验部分 11

2.1实验试剂 11

表2.1 实验试剂 11

2.2实验仪器 12

2.3电化学测量 12

2.3.1电化学方法 12

2.3.2塔菲尔曲线 12

2.4金属Salen配合物的制备 13

2.4.1水杨醛衍生物的合成 13

2.2.2 Salen配体的合成 13

2.4.3 Salen配合物的合成 15

2.5电化学测量 18

2.5.1析氢反应 18

2.5.2析氧反应 19

第三章 结果与讨论 20

3.1金属Salen配合物的表征分析 20

3.1.1红外光谱 20

3.1.2元素分析 21

3.2金属Salen配合物的电化学实验 22

3.2.1析氢反应 22

第四章 结论 31

参考文献 32

致谢 34

1. 绪论

1.1引言

氢能是最重要的清洁能源之一，它的大规模开发及利用可以解决当前阻碍世界上各个国家可持续发展的一大难题——能源短缺，对未来能源系统的重要性不言而喻。在自然界中，氢不是以分子为主要存在形式的，基本存在于碳水化合物和水中，同时，例如煤、石油、生物质、天然气等矿物燃料，水，甚至甲醇、氨、乙醇等含氢化合物。由于原料在自然界中广泛存在，制取氢能对于地区的限制性并不大^[1]。

目前，世界上有多种方式可以获得氢能。

首先是由矿物燃料制取氢。其中主要有重油部分氧化、焦炉煤气化制氢、烃类蒸汽转化、甲烷催化裂解制氢等^[2,3]。烃类蒸汽转化法制氢是石化工业应用中最常用的制氢方法。通常所用原料根据形态分为气态烃和液态烃^[3]。制氢过程如气态烃天然气蒸汽转化制氢工艺包含预处理、蒸汽转化、中温变换、二氧化碳的脱除四个工艺步骤，并伴有热回收、燃烧、蒸汽三个辅助系统^[4]。此方法也是目前最经济的制氢方法。焦炉煤气中55%左右是氢气，还有25%左右的是甲烷，所以采用焦炉煤气制取氢气主要是将氢气分离出来，小规模的采用变压吸附法即可，大规模的会采用焦炉煤气副产LNG的工艺路线^[5]。甲烷催化裂解制氢是甲烷逐步脱氢的一个过程，主要过程包括甲烷的活化、碳核的生成、碳纳米管或者说纤维的生长^[6]。

然后就是水电解制氢了。电解水制氢由于无污染、工艺简单、效率高成为研究的重点领域。目前电解水制氢的产量约占世界氢气总产量4%^[7]。由于下文会详细解释水电解制氢，在这里就不多做描述了。