碳化聚苯胺构建“掺杂碳层包覆稀土氧化物”复合电催化材料及其氧还原性能研究

发布时间：2020-04-14 14:23

【摘要】：氧还原反应(ORR)是燃料电池中最重要的反应之一。目前为止,催化ORR最好的催化剂为Pt基催化剂。然而,由于Pt的低丰度,易失活以及易中毒等因素,严重阻碍了燃料电池商业化发展。所以,研究者们一直致力于开发出一种高效、稳定、储量丰富且无污染的非贵金属催化剂。近年来,稀土元素具有独特的电子构型,使得稀土具有较好的电子和催化性能。目前已有大量的稀土元素用于催化剂的制备中,并达到了预期的效果。其中,稀土氧化物作为一种非Pt催化剂在ORR催化中表现出较好的应用前景,引起了研究者的兴趣。本论文围绕稀土氧化物与导电聚合物的协同优势,以制备高效、低成本的非贵金属催化剂为主要目的,通过对催化剂结构的设计和组分的调控,以期得到高性能的“掺杂碳层包覆稀土氧化物”复合电催化材料。在这三部分中均采用物理测试手段对制备得到的催化剂进行结构表征,同时采用电化学测试手段对它们的电化学性能进行了探究。具体包括以下三部分的内容。第一部分镶嵌结构的Sm_2O_3纳米氧化物复合碳材料催化剂催化氧还原反应稀土氧化物由于其独特的电子构型,激起了其在燃料电池领域的研究热潮。稀土钐更是由于其具有可变的化合价,使钐适用于催化剂和促进剂。本章通过简单的水热法和原位聚合法制备得到了Sm_2O_3-CN-1100复合催化剂,并研究了它在氧还原反应中的催化性能。Sm_2O_3与CN之间的耦合效应,使Sm_2O_3-CN-1100拥有较好的稳定性和抗甲醇性能;此外,催化剂的镶嵌结构增强了Sm_2O_3和CN之间的联系,有利于氧还原反应的进行。这为其它稀土氧化物在非贵金属催化剂中的应用提供了实验思路。第二部分双金属的LaCuO_x@CN复合催化剂催化氧还原反应本论文第二章证实了稀土氧化物具有一定的氧还原催化活性,但与常用的Pt/C催化剂相比,仍有很大的差距。文献报道双金属复合氧化物的性能要比单金属氧化物的好。所以,本章结合了稀土和过渡金属的双重优势,成功制备了嵌入结构的LaCuO_x@CN复合催化剂,并且探究了其在氧还原反应中的催化性能。研究结果表明双金属氧化物之间存在协同效应,使制备的催化剂表现出优异的电催化活性。与第二章制备的单金属稀土氧化物催化剂相比,ORR催化活性有了很大的提升,与Pt/C催化剂相比,LaCuO_x@CN-900则拥有更好的稳定性和抗甲醇性能。第三部分碳包覆NdCuO_x纳米氧化物复合催化剂催化氧还原反应虽然制备的LaCuO_x@CN-900催化剂性能已然有了很大提升,但与Pt/C催化剂相比,仍然存在差距。在第三章的基础上,本章通过调节稀土-过渡金属双金属氧化物的组成,制备得到了一种新型的NdCuO_x@CN-1000复合催化剂,并将其作为一种无Pt催化剂应用于碱性介质的氧还原催化反应。电化学测试结果表明NdCuO_x@CN-1000复合催化剂拥有与Pt/C相媲美的催化活性,以及比Pt/C更好的抗甲醇和稳定性。这些良好的性能都归因于NdCuO_x与CN,以及NdCu双金属氧化物之间强的相互作用。
【图文】：

所以，由燃料电池产生的电化学能源一代有望替代传统的化石能源，为解决因化石能源的大量使用而造成的能源危机和环境污染问题提供了新思路。如图1.1所示为典型的燃料电池原理图。Fig. 1.1 Fuel cell component图 1.1 燃料电池组件燃料电池的组成与常规电池基本相似，其单体电池的组成包括两个正负电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)和电解质。两者的不同之处在于常规电池的活性物质被贮存在电池的内部，这严重限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身只是个催化转换元件，不包含其他活性物质。因此燃料电池真正的实现了将化学能转化为电能。当燃料电池运作时，燃料和氧化剂由外部供给，，以驱动反

经碳化后，制备了Nd2O3/N-C催化剂（图 1.4），并应用于结果表明，制备的稀土氧化钕复合催化剂具有较好的ORR催化甲醇中毒性。此外，Takahashi[57]等人研究了 CeO2-La2O3在固中的应用，发现它能产生较高的电流密度。Yahiro[58]等人研化物体系的电化学性能以及其在固体燃料电池中的应用，研究杂氧化铈复合物展现出较好的电导性以及较快的电子转移速物具有潜在的电催化性能，也可成为贵金属Pt催化剂很好的替稀土氧化物在电催化领域具有较好的应用，稀土元素有未填，这使得稀土与其复合物也表现出一系列催化性能[59,60]。大多属氧化物的研究集中在磁性领域[61,62]，很少有文献报道它们用。在稀土-过渡金属氧化物中，镧系原子被过渡金属包围，物在储氢材料的应用上奠定了基础[63]。所以，利用稀土-过渡电聚合物来制备高活性的非Pt催化体系，是一种行之有效的策
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM911.4

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王丽娟;在石墨及聚酞菁化合物电极上氧还原的电催化[J];催化学报;1988年01期

2 吴智远;周运鸿;高荣;;二氧化锰对氧还原的电催化行为[J];武汉大学学报(自然科学版);1988年03期

3 郝佳瑜;刘易斯;李文章;李洁;;形貌可控的铂类贵金属氧还原电催化剂研究进展[J];材料导报;2019年01期

4 杜诚;高小惠;陈卫;;铜基非贵金属氧还原电催化剂的研究进展（英文）[J];催化学报;2016年07期

5 王瀛;张丽敏;胡天军;;金属空气电池阴极氧还原催化剂研究进展[J];化学学报;2015年04期

6 黄幼菊;李伟善;黄青丹;李伟;张庆龙;蒋腊生;;氢钼青铜对铂催化氧还原反应的促进作用[J];高等学校化学学报;2007年05期

7 余希立;李平;郑俊生;吴云霞;周兴贵;;不同微结构纳米碳纤维电极的氧还原性能[J];华东理工大学学报(自然科学版);2007年06期

8 苗鹤;薛业建;周旭峰;刘兆平;;石墨烯基氧还原催化剂在金属空气电池中的应用[J];化学进展;2015年07期

9 陈洁;高建民;;掺杂碳材料用于氧还原反应中的研究进展[J];广州化工;2015年21期

10 杨伟;陈胜洲;邹汉波;林维明;;氮掺杂非贵金属氧还原催化剂研究进展[J];化工进展;2010年11期

相关会议论文 前10条

1 李昊亮;张慧娟;李祥太;赵斌;杨俊和;;预处理对钴基非贵金属氧还原催化剂性能影响的研究[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年

2 陈艳霞;;对氧还原电催化中的一些基本科学问题的思考[A];第31届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2015年

3 沈岸丽;王双印;;电荷转移诱导增强石墨烯催化氧还原反应[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第23分会：电催化与洁净能源电化学转化[C];2014年

4 蒋雨霏;杨立军;胡征;;硼氮共掺杂微结构对碳纳米管氧还原电催化性能的影响[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第23分会：电催化与洁净能源电化学转化[C];2014年

5 张盾;;碱性燃料电池中氧还原反应的催化剂-纳米氧化锰的研究[A];中国化学会第26届学术年会新能源与能源化学分会场论文集[C];2008年

6 杨立军;蒋雨霏;;碳基材料氧还原活性结构的理论与实验探索[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第十八分会：电子结构理论方法的发展与应用[C];2016年

7 熊中平;司玉军;张英;李敏娇;;取代基修饰碳纳米管电催化氧还原反应活性研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第23分会：电催化与洁净能源电化学转化[C];2014年

8 王静;王勇;;S、N共掺杂石墨炭材料的制备及催化氧还原性能研究[A];第十四届全国青年催化学术会议会议论文集[C];2013年

9 张云;胡劲松;魏子栋;万立骏;;基于碳纳米管和石墨烯的非贵金属氧还原催化剂[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第23分会：电催化与洁净能源电化学转化[C];2014年

10 杨立军;蒋雨霏;胡征;;开发在酸/碱性介质中有高氧还原催化活性的碳基纳米材料[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会：能源纳米科学与技术[C];2014年

相关重要报纸文章 前1条

1 本报记者 李禾;给生活垃圾找条“回去”的路[N];科技日报;2013年

相关博士学位论文 前10条

1 王海涛;钴、铁改性氮掺杂碳基氧还原电催化剂的制备及性能研究[D];华中科技大学;2018年

2 刘柏辰;氮掺杂碳氧还原催化剂的制备及其性能研究[D];华南理工大学;2018年

3 邓怡杰;高性能碳基非贵金属催化剂的制备及氧还原性能研究[D];华南理工大学;2018年

4 张晓华;非贵金属氧还原催化剂的设计合成及氧还原历程研究[D];中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所);2018年

5 曾黎明;基于氧还原和析出反应的金属复合催化剂设计和制备[D];中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所);2018年

6 赵宇;新型碳基无金属氧还原电催化剂的制备及其作用机理研究[D];南京大学;2013年

7 Syed Shoaib Ahmad Shah;金属有机框架（MOF）衍生的非贵金属氧还原催化剂的研究[D];重庆大学;2018年

8 艾可龙;非贵金属氧还原反应催化剂的可控制备及催化应用研究[D];吉林大学;2018年

9 张双双;非铂类高效氧还原催化剂设计及性能研究[D];中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所);2017年

10 崔超男;电化学二氧化碳还原和氧还原的密度泛函理论研究[D];天津大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 杨怡然;生物质衍生的非贵金属电化学催化剂研究[D];东南大学;2018年

2 杜杰;基于阳离子型MOF前驱体的Fe/Co-N-C碳基纳米氧还原电催化剂的设计、制备和催化性能的研究[D];东南大学;2018年

3 宋俊楠;碳化聚苯胺构建“掺杂碳层包覆稀土氧化物”复合电催化材料及其氧还原性能研究[D];西北师范大学;2018年

4 周廷生;氮掺杂空心碳球的制备及其电催化氧还原性能研究[D];上海理工大学;2017年

5 王启晨;Fe-N-C类型催化剂的制备及其电催化氧还原性能研究[D];中南林业科技大学;2018年

6 刘一玲;高效碳基电催化氧还原材料的设计和在锌空电池中的应用[D];苏州大学;2018年

7 张莹莹;含锰硫族簇基晶态材料的合成及氧还原催化性能研究[D];苏州大学;2018年

8 张亨博;杂原子掺杂碳/过渡金属复合材料的设计制备及氧还原性能研究[D];河南师范大学;2018年

9 范宝法;铁/钴/氮掺杂碳基材料的合成及其在氧还原中的应用[D];河南师范大学;2018年

10 黄秋婵;碳纳米管负载铂-金属氮化物催化剂结构及氧还原性能研究[D];广州大学;2018年

本文编号：2627392