| 研究生: |
黃瑋翔 Huang, Wei-Hsiang |
|---|---|
| 論文名稱: |
鈣鐵氧化物應用於電解海水之研究 Calcium iron oxide based electrocatalysts in electrochemical splitting of seawater |
| 指導教授: |
林家裕
Lin, Chia-Yu |
| 學位類別: |
碩士 Master |
| 系所名稱: |
工學院 - 化學工程學系 Department of Chemical Engineering |
| 論文出版年: | 2019 |
| 畢業學年度: | 107 |
| 語文別: | 中文 |
| 論文頁數: | 69 |
| 中文關鍵詞: | 鈣鐵氧化物 、產氧反應 、中性條件 、海水 、電沉積 |
| 外文關鍵詞: | Calcium iron oxide, Oxygen evolution reaction, Neutral condition, Seawater, Electrodeposition |
| 相關次數: | 點閱:67 下載:0 |
| 分享至: |
| 查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報 |
本研究成功合成以磷酸鐵修飾之鈣鐵氧化物,於磷酸鹽緩衝模擬海水/天然海水中具有高效能且高穩定性的電催化海水產氧反應觸媒。首先對磷酸鐵修飾之鈣鐵氧化物以X射線光電子能譜、感應耦合電漿原子發射光譜儀進行物性分析;接著透過循環伏安法、線性掃描循環伏安法和計時伏安法等技術於磷酸鹽緩衝模擬海水/天然海水進行其電催化性能分析。研究發現透過磷酸鐵修飾之鈣鐵氧化物,能有效弱化具腐蝕性之次氯酸鹽的產生,以及減緩鎂離子對材料的結垢現象,並加速定電流電解鈣鐵氧化物時的活化過程。而透過優化磷酸鐵修飾量,磷酸鐵修飾之鈣鐵氧化物之穩定性於磷酸鹽緩衝模擬海水/真實海水中具有優於現今性能最佳之非貴重金屬觸媒磷酸鈷、氧化鐵及貴重金屬氧化銥的穩定性。此磷酸鐵修飾之鈣鐵氧化物於磷酸鹽緩衝天然海水(pH 7)中,在施加10 mA cm-2電流密度下僅需0.71 V之過電位。酸鐵修飾之鈣鐵氧化物之穩定性在流動電解液中可進一步提高。
Iron phosphate modified calcium iron oxide (FTO|CaFeOx|FePO4) was successfully synthesized, which is used as a high activity and stable electrocatalytic seawater oxygen evolution reaction catalyst in phosphate buffered synthetic/natural seawater solution. FTO|CaFeOx|FePO4 was characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-OES) to measure its physical properties. And electrocatalytic properties was analyzed by cyclic voltammetry, linear scanning cyclic voltammetry and chronovoltammetry in phosphate buffered synthetic/natural seawater solution. It has been found that FTO|CaFeOx|FePO4(t=25) can effectively weaken the production of corrosive hypochlorite, slowing down the Mg2+ fouling phenomenon and accelerates the activation process of constant current electrolysis of calcium iron oxide. With the optimized amount of iron phosphate modification, the activity and stability of FTO|CaFeOx|FePO4(t=25) outperformed those of CoPi and FeOx even IrOx, a state-of-art best oxygen evolution catalyst. FTO|CaFeOx|FePO4(t=25) in phosphate buffered natural seawater (pH 7) requires only an overpotential of 0.71 V to maintain a current density of 10 mA cm-2. The stability of the FTO|CaFeOx|FePO4(t=25) can be further increased in the flowing electrolyte.
1. W. H. Huang and C. Y. Lin, Faraday Discuss., 2019, 215, 205-215.
2. United Nations, The State of Food and Agriculture Report 2014: Innovation in Family Farming, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, 2014.
3. 經濟部水利署全球資訊網, Ministry of economic affairs, 2018.
4. J. O. M. Bockris, Science, 1972, 176, 1323-&.
5. R. Frydendal, E. A. Paoli, B. P. Knudsen, B. Wickman, P. Malacrida, I. E. L. Stephens and I. Chorkendorff, ChemElectroChem, 2014, 1, 2075-2081.
6. Y. Lee, J. Suntivich, K. J. May, E. E. Perry and Y. Shao-Horn, Journal of Physical Chemistry Letters, 2012, 3, 399-404.
7. S. Cherevko, S. Geiger, O. Kasian, N. Kulyk, J. P. Grote, A. Savan, B. R. Shrestha, S. Merzlikin, B. Breitbach, A. Ludwig and K. J. J. Mayrhofer, Catal. Today, 2016, 262, 170-180.
8. R. Kotz, H. J. Lewerenz and S. Stucki, J. Electrochem. Soc., 1983, 130, 825-829.
9. R. Kotz, H. Neff and S. Stucki, J. Electrochem. Soc., 1984, 131, 72-77.
10. F. M. Sapountzi, J. M. Gracia, C. J. Weststrate, H. O. A. Fredriksson and J. W. Niemantsverdriet, Prog. Energy Combust. Sci., 2017, 58, 1-35.
11. M. Vukovic, J. Appl. Electrochem., 1987, 17, 737-745.
12. F. I. Mattos-Costa, P. de Lima-Neto, S. A. S. Machado and L. A. Avaca, Electrochim. Acta, 1998, 44, 1515-1523.
13. T. L. Gibson and N. A. Kelly, Int. J. Hydrog. Energy, 2008, 33, 5931-5940.
14. M. W. Kanan and D. G. Nocera, Science, 2008, 321, 1072-1075.
15. A. J. Esswein, M. J. McMurdo, P. N. Ross, A. T. Bell and T. D. Tilley, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 15068-15072.
16. F. Song and X. L. Hu, Nature Commun., 2014, 5, 4477-4485..
17. Y. P. Zhu, Y. P. Liu, T. Z. Ren and Z. Y. Yuan, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 7337-7347.
18. H. Y. Jin, J. Wang, D. F. Su, Z. Z. Wei, Z. F. Pang and Y. Wang, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2688-2694.
19. M. W. Kanan, J. Yano, Y. Surendranath, M. Dinca, V. K. Yachandra and D. G. Nocera, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 13692-13701.
20. J. B. Gerken, E. C. Landis, R. J. Hamers and S. S. Stahl, ChemSusChem, 2010, 3, 1176-1179.
21. H. S. Ahn and T. D. Tilley, Adv. Funct. Mater., 2013, 23, 227-233.
22. K. S. Joya, K. Takanabe and H. J. M. de Groot, Adv. Energy Mater., 2014, 4, 1400252-1400257.
23. L. Cui, F. L. Qu, J. Q. Liu, G. Du, A. M. Asiri and X. P. Sun, ChemSusChem, 2017, 10, 1370-1374.
24. V. Y. Shafirovich, N. K. Khannanov and V. V. Strelets, New J. Chem, 1980, 4, 81-84.
25. B. S. Brunschwig, M. H. Chou, C. Creutz, P. Ghosh and N. Sutin, J. Am. Chem. Soc., 1983, 105, 4832-4833.
26. A. J. Esswein, Y. Surendranath, S. Y. Reece and D. G. Nocera, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 499-504.
27. M. Grzelczak, J. S. Zhang, J. Pfrommer, J. Hartmann, M. Driess, M. Antonietti and X. C. Wang, ACS Catal., 2013, 3, 383-388.
28. P. W. Menezes, A. Indra, D. Gonzalez-Flores, N. R. Sahraie, I. Zaharieva, M. Schwarze, P. Strasser, H. Dau and M. Driess, ACS Catal., 2015, 5, 2017-2027.
29. J. Wei, Y. Y. Feng, Y. Liu and Y. Ding, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 22300-22310.
30. H. Wu, S. Y. Li, X. X. Lu, C. Y. Toe, H. Y. Chung, Y. M. Tang, X. Y. Lu, R. Amal, L. S. Li and Y. H. Ng, ChemPlusChem, 2018, 83, 934-940.
31. A. Vasileff, S. Chen and S. Z. Qiao, Nanoscale Horiz., 2016, 1, 41-44.
32. H. Kim, J. Park, I. Park, K. Jin, S. E. Jerng, S. H. Kim, K. T. Nam and K. Kang, Nature Commun., 2015, 6, 8253-8264.
33. K. Xu, H. Cheng, L. Q. Liu, H. F. Lv, X. J. Wu, C. Z. Wu and Y. Xie, Nano Lett., 2017, 17, 578-583.
34. J. Zhu, F. Lambert, C. Policar, F. Mavre and B. Limoges, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 16190-16197.
35. T. T. Liu, L. S. Xie, J. H. Yang, R. M. Kong, G. Du, A. M. Asiri, X. P. Sun and L. Chen, ChemElectroChem, 2017, 4, 1840-1845.
36. L. S. Xie, R. Zhang, L. Cui, D. N. Liu, S. Hao, Y. J. Ma, G. Du, A. M. Asiri and X. P. Sun, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 1064-1068.
37. E. A. Turhan, S. V. K. Nune, E. Ulker, U. Sahin, Y. Dede and F. Karadas, Chem.: Eur. J., 2018, 24, 10372-10382.
38. L. Ma, S. F. Hung, L. P. Zhang, W. Z. Cai, H. B. Yang, H. M. Chen and B. Liu, Ind. Eng. Chem. Res., 2018, 57, 1441-1445.
39. P. P. Li, Z. Y. Jin and D. Xiao, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 18420-18427.
40. P. Z. Chen, K. Xu, T. P. Zhou, Y. Tong, J. C. Wu, H. Cheng, X. L. Lu, H. Ding, C. Z. Wu and Y. Xie, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2488-2492.
41. T. Kishi and K. Shiota, Surf. Coat. Technol., 1988, 34, 287-293.
42. Y. Gorlin and T. F. Jaramillo, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 13612-13614.
43. C. X. Guo, S. C. Chen and X. M. Lu, Nanoscale, 2014, 6, 10896-10901.
44. C. I. M. Morita, H. Tamura, Electrochim. Acta, 1977, 22, 325-328.
45. C. I. M. Morita, H. Tamura, Electrochim. Acta, 1979, 24, 357-362.
46. A. M. Mohammad, M. I. Awad, M. S. El-Deab, T. Okajima and T. Ohsaka, Electrochim. Acta, 2008, 53, 4351-4358.
47. T. Takashima, K. Hashimoto and R. Nakamura, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 1519-1527.
48. M. Huynh, C. Y. Shi, S. J. L. Billinge and D. G. Nocera, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 14887-14904.
49. K. Jin, J. Park, J. Lee, K. D. Yang, G. K. Pradhan, U. Sim, D. Jeong, H. L. Jang, S. Park, D. Kim, N. E. Sung, S. H. Kim, S. Han and K. T. Nam, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 7435-7443.
50. W. Y. Yuan, P. K. Shen and S. P. Jiang, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 123-129.
51. J. Park, H. Kim, K. Jin, B. J. Lee, Y. S. Park, H. Kim, I. Park, K. D. Yang, H. Y. Jeong, J. Kim, K. T. Hong, H. W. Jang, K. Kang and K. T. Nam, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 4201-4211.
52. Z. N. Zahran, E. A. Mohamed, T. Ohta and Y. Naruta, ChemCatChem, 2016, 8, 532-535.
53. A. Ramirez, P. Bogdanoff, D. Friedrich and S. Fiechter, Nano Energy, 2012, 1, 282-289.
54. I. Zaharieva, P. Chernev, M. Risch, K. Klingan, M. Kohlhoff, A. Fischer and H. Dau, Energy Environ. Sci., 2012, 5, 7081-7089.
55. R. Pokhrel, M. K. Goetz, S. E. Shaner, X. X. Wu and S. S. Stahl, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 8384-8387.
56. A. Irshad and N. Munichandraiah, RSC Adv., 2016, 6, 30552-30563.
57. J. Y. Wang, L. L. Ji and Z. F. Chen, ACS Catal., 2016, 6, 6987-6992.
58. I. G. Denisov, T. M. Makris, S. G. Sligar and I. Schlichting, Chem. Rev., 2005, 105, 2253-2277.
59. M. X. Chen, Y. Z. Wu, Y. Z. Han, X. H. Lin, J. L. Sun, W. Zhang and R. Cao, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 21852-21859.
60. Y. Z. Wu, M. X. Chen, Y. Z. Han, H. X. Luo, X. J. Su, M. T. Zhang, X. H. Lin, J. L. Sun, L. Wang, L. Deng, W. Zhang and R. Cao, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 4870-4875.
61. H. C. Chiu, W. H. Huang, L. C. Hsu, Y. G. Lin, Y. H. Lai and C. Y. Lin, Sustain. Energ. Fuels, 2018, 2, 271-279.
62. G. Park, Y. I. Kim, Y. H. Kim, M. Park, K. Y. Jang, H. Song and K. M. Nam, Nanoscale, 2017, 9, 4751-4758.
63. Y. Z. Wu, Y. A. Meng, J. G. Hou, S. Y. Cao, Z. M. Gao, Z. J. Wu and L. C. Sun, Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801397-1801407.
64. Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. B. Chorkendorff, J. K. Norskov and T. F. Jaramillo, Science, 2017, 355, 1.
65. M. Gorlin, M. Gliech, J. F. de Araujo, S. Dresp, A. Bergmann and P. Strasser, Catal. Today, 2016, 262, 65-73.
66. X. Zhang, X. Zhang, H. M. Xu, Z. S. Wu, H. L. Wang and Y. Y. Liang, Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1606635-1606646.
67. Z. Zhang, J. H. Hao, W. S. Yang and J. L. Tang, RSC Adv., 2016, 6, 9647-9655.
68. L. J. Foruzin, B. Habibi and Z. Rezvani, New J. Chem., 2018, 42, 13963-13970.
69. Y. Zhang, B. Cui, C. S. Zhao, H. Lin and J. B. Li, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 7363-7369.
70. M. Wang, W. Zhong, S. S. Zhang, R. J. Liu, J. M. Xing and G. J. Zhang, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 9915-9921.
71. Q. Liu, J. T. Jin and J. Y. Zhang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 5002-5008.
72. 深層海水知識服務平台, http://www.dow.org.tw.
73. H. K. Abdelaal and I. A. Hussein, Int. J. Hydrog. Energy, 1993, 18, 485-489.
74. H. K. Abdelaal, S. M. Sultan and I. A. Hussein, Int. J. Hydrog. Energy, 1993, 18, 545-551.
75. H. K. Abdelaal and I. A. Hussein, Int. J. Hydrog. Energy, 1993, 18, 553-556.
76. F. Dionigi, T. Reier, Z. Pawolek, M. Gliech and P. Strasser, ChemSusChem, 2016, 9, 962-972.
77. F. F. Cheng, X. L. Feng, X. Chen, W. G. Lin, J. F. Rong and W. S. Yang, Electrochim. Acta, 2017, 251, 336-343.
78. K. Izumiya, E. Akiyama, H. Habazaki, A. Kawashima, K. Asami, K. Hashimoto and N. Kumagai, J. Appl. Electrochem., 1997, 27, 1362-1368.
79. E. A. K. Izumiya, H. Habazaki, N. Kumagai, A. Kawashimaa and K. Hashimoto, Electrochim. Acta, 1998, 43, 3303-3312.
80. R. Chester and T. D. Jickells, Marine Geochemistry, Wiley-Blackwell, New York, 3rd edn., 2012.
81. C. C. L. McCrory, S. H. Jung, J. C. Peters and T. F. Jaramillo, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 16977-16987.
82. J. O. Bockris and T. Otagawa, J. Electrochem. Soc., 1984, 131, 290-302.
83. J. Suntivich, K. J. May, H. A. Gasteiger, J. B. Goodenough and Y. Shao-Horn, Science, 2011, 334, 1383-1385.
84. S. Yagi, I. Yamada, H. Tsukasaki, A. Seno, M. Murakami, H. Fujii, H. Chen, N. Umezawa, H. Abe, N. Nishiyama and S. Mori, Nature Commun., 2015, 6, 8249.
85. Y. L. Zhu, W. Zhou, J. Yu, Y. B. Chen, M. L. Liu and Z. P. Shao, Chem. Mater., 2016, 28, 1691-1697.
86. M. Li, Y. P. Xiong, X. T. Liu, X. J. Bo, Y. F. Zhang, C. Han and L. P. Guo, Nanoscale, 2015, 7, 8920-8930.
87. M. S. Al-Hoshan, J. P. Singh, A. M. Al-Mayouf, A. A. Al-Suhybani and M. N. Shaddad, Int. J. Electrochem. Sci., 2012, 7, 4959-4973.
88. S. Hirai, S. Yagi, A. Seno, M. Fujioka, T. Ohno and T. Matsuda, RSC Adv., 2016, 6, 2019-2023.
89. J. A. Koza, Z. He, A. S. Miller and J. A. Switzer, Chem. Mater., 2012, 24, 3567-3573.
90. Z. Chen, C. X. Kronawitter and B. E. Koel, Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 29387-29393.
91. M. Al-Mamun, X. T. Su, H. M. Zhang, H. J. Yin, P. R. Liu, H. G. Yang, D. Wang, Z. Y. Tang, Y. Wang and H. J. Zhao, Small, 2016, 12, 2866-2871.
92. Y. Hori and S. Suzuki, J. Electrochem. Soc., 1983, 130, 2387-2390.
93. T. E. Teeter and P. Vanrysselberghe, J. Chem. Phys., 1954, 22, 759-760.
94. P. Vanrysselberghe, G. J. Alkire and J. M. McGee, J. Am. Chem. Soc., 1946, 68, 2050-2055.
95. K. Beckmann, H. Uchtenhagen, G. Berggren, M. F. Anderlund, A. Thapper, J. Messinger, S. Styring and P. Kurz, Energy Environ. Sci., 2008, 1, 668-676.
96. R. Brimblecombe, A. Koo, G. C. Dismukes, G. F. Swiegers and L. Spiccia, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 2892-+.
97. M. Yagi and K. Narita, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 8084-8085.
98. J. Limburg, J. S. Vrettos, H. Y. Chen, J. C. de Paula, R. H. Crabtree and G. W. Brudvig, J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 423-430.
99. J. Limburg, G. W. Brudvig and R. H. Crabtree, J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 2761-2762.
100. M. M. Najafpour and A. N. Moghaddam, Dalton Trans., 2012, 41, 10292-10297.
101. R. Brimblecombe, D. R. J. Kolling, A. M. Bond, G. C. Dismukes, G. F. Swiegers and L. Spiccia, Inorg. Chem., 2009, 48, 7269-7279.
102. R. Brimblecombe, G. F. Swiegers, G. C. Dismukes and L. Spiccia, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 7335-7338.
103. A. Yamaguchi, R. Inuzuka, T. Takashima, T. Hayashi, K. Hashimoto and R. Nakamura, Nature Commun., 2014, 5, 4256.
104. T. Takashima, K. Hashimoto and R. Nakamura, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18153-18156.
105. M. M. Najafpour, K. C. Leonard, F. R. F. Fan, M. A. Tabrizi, A. J. Bard, C. K. King'ondu, S. L. Suib, B. Haghighi and S. I. Allakhverdiev, Dalton Trans., 2013, 42, 5085-5091.
106. Y. Surendranath, M. Dinca and D. G. Nocera, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 2615-2620.
107. D. A. Lutterman, Y. Surendranath and D. G. Nocera, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 3838-+.
108. S. Haschke, Y. L. Wu, M. Bashouti, S. Christiansen and J. Bachmann, ChemCatChem, 2015, 7, 2455-2459.
109. T. W. Kim and K. S. Choi, Science, 2014, 343, 990-994.
110. A. Minguzzi, F. R. F. Fan, A. Vertova, S. Rondinini and A. J. Bard, Chem. Sci., 2012, 3, 217-229.
111. A. Augustsson, G. V. Zhuang, S. M. Butorin, J. M. Osorio-Guillen, C. L. Dong, R. Ahuja, C. L. Chang, P. N. Ross, J. Nordgren and J. H. Guo, J. Chem. Phys., 2005, 123, 9.
112. N. Khare, D. Hesterberg and J. D. Martin, Environ. Sci. Technol., 2005, 39, 2152-2160.
113. P. Nagaraju, C. Srilakshmi, N. Pasha, N. Lingaiah, I. Suryanarayana and P. S. S. Prasad, Appl. Catal. A: Gen., 2008, 334, 10-19.
114. D. H. Yu, C. Wu, Y. Kong, N. H. Xue, X. F. Guo and W. P. Ding, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 14394-14399.
115. Y. Wang, Q. Yuan, Q. H. Zhang and W. P. Deng, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 2044-2053.
116. C. Y. Lin and C. T. Chang, Sens. Actuators B-Chem., 2015, 220, 695-704.
117. D. P. F. Marken, C. E. Madden, R. C. Millward and S. Fletcher, New J. Chem., 2002, 26, 259-263.
118. S. Poulin, R. Franca, L. Moreau-Belanger and E. Sacher, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 10711-10718.
119. A. P. Grosvenor, B. A. Kobe, M. C. Biesinger and N. S. McIntyre, Surf. Interface Anal., 2004, 36, 1564-1574.
120. L. X. Zhang, J. H. Zhao, H. Q. Lu, L. Li, J. F. Zheng, H. Li and Z. P. Zhu, Sens. Actuators B-Chem., 2012, 161, 209-215.
121. B. J. Wang, D. K. Xu, J. H. Dong and W. Ke, J. Mater. Sci. Technol., 2016, 32, 646-652.
122. L. P. Wu, L. Zhao, J. H. Dong, W. Ke and N. Chen, Electrochim. Acta, 2014, 145, 71-80.
123. Y. W. a. P. M. A. Sherwood, Surf. Sci. Spectra, 2002, 9, 99-105.
124. X. F. Cui, Q. F. Li, Y. Li, F. H. Wang, G. Jin and M. H. Ding, Appl. Surf. Sci., 2008, 255, 2098-2103.
125. J. Chen, X. N. Lan, C. Wang and Q. Y. Zhang, Materials, 2018, 11, 11.
126. S. Geiger, O. Kasian, M. Ledendecker, E. Pizzutilo, A. M. Mingers, W. T. Fu, O. Diaz-Morales, Z. Z. Li, T. Oellers, L. Fruchter, A. Ludwig, K. J. J. Mayrhofer, M. T. M. Koper and S. Cherevko, Nature Catal., 2018, 1, 508-515.
127. M. Pourbaix, Atlas of electrochemical equilibria in aqueous solutions, 1966.
校內:2024-08-26公開