钴@杂原子掺杂碳基复合材料的制备及其氧还原性能研究

发布时间：2020-07-19 01:43

【摘要】：在能源短缺,环境污染严重的大背景下,清洁、可持续发展能源已经成为人们研究的重点。燃料电池(Fuel cells,FCs),作为一种能量直接转化装置,具有转化效率高,绿色环保的优点。燃料电池中的阴极氧还原反应是速控步,通常采用贵金属(比如铂及其合金)作为催化剂,但是贵金属成本高,存储量少,而且长期稳定性和抗甲醇性能比较差,限制了其广泛应用。制备电催化活性高,且稳定性好的催化剂,并将其普遍应用到燃料电池中依然是一个挑战。鉴于上述问题,研究制备非贵金属催化剂具有重要的意义。本论文采用价格低廉的生物质葡萄糖和铝基金属有机框架化合物(MOFs)MIL-101-NH2(Al)为原料来合成催化剂材料的碳载体,然后进行相应的后处理,引入所需要掺杂的杂原子和过渡金属钴,在高纯氮气保护下高温热解,制备得到过渡金属化合物负载于碳基材料的氧还原反应催化剂,并研究了其氧还原催化活性。利用扫描电镜,透射电镜,X射线衍射,X射线光电子能谱,比表面及孔隙度分析,拉曼等测试对材料进行物理表征,并通过电化学测试研究了材料的氧还原催化活性。主要的工作如下:1.以价格低廉的生物质葡萄糖作为原材料,通过水热自组装合成大小均一的葡萄糖碳球。进一步利用静电吸附作用,在葡萄糖碳球表面吸附Co2+,并以硫脲分解产生的NH3,H2S气体作为杂原子掺杂源,经过高温热处理制备得到氮、硫共掺杂葡萄糖碳球负载Co O的复合材料(Co O@NS-CSs)。研究结果显示,Co O@NS-CSs在碱性介质中表现出较高的氧还原催化性能,其起始电位和半波电位分别为0.946 V和0.821 V(vs.RHE)。与商业Pt/C对比,具有更高的稳定性和耐甲醇性能。2.以MIL-101-NH2(Al)作为前躯体和模板,利用配体中未参与配位的N,通过一步后处理引入第二种配体水杨醛来螯合固定Co2+,在高纯氮气保护下一步热解得到一系列氮掺杂多孔碳材料负载单质钴和氧化钴的复合催化剂(Co@NPC-X)t(X为热解温度/oC,t为碱洗时间/h)。通过微观表征和电化学测试,研究了不同热解温度(700,800,900oC)和碱洗时间(t=0,8,12,16 h)对催化剂的氧还原催化活性的影响。结果表明,900oC热解温度和碱洗时间12 h为最佳实验条件,得到的材料(Co@NPC-900)12具有较高的氧还原反应催化活性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4;TB33
【图文】：

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电池的简介电池的工作原理电池作为一种能量转换装置，可以实现原料能量的直接转化，接转变。与此同时，不经过燃烧等其它过程，因此摆脱了卡诺虑到其属于开放性系统，把所需要的燃料和氧化剂依次通入后是一个小型的“发电厂”。电池实际上是一种电化学装置，它由四个部分组成，包含阳极电路，构造如普通电池。图 - 是最简单的氢-氧燃料电池简易的是燃烧原料，经过氧化过程，释放电子，利用外面线路转移氧气或空气，和外面线路流过来的电子之间发生还原过程。通它导电介质，实现整个装置内部的电荷传送过程[3]。

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华中科技大学硕士学位论文基于以上优点，燃料电池具有不可估量的发展前途，将会是未来的新能源代表之一。1.3 燃料电池阴极氧还原反应1.3.1 阴极氧还原反应燃料电池中阴极氧还原反应，作为一个至关重要的过程，决定整个电化学反应进程。其反应机理大致有两种，分别为氧气直接被还原为 - 的四电子转移过程和氧气先被还原为 - ，然后 - 进一步被还原为 - 的二电子转移过程，具体途径如图- 所示[6]。

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华中科技大学硕士学位论文属氧还原反应催化剂，被公认为最优的氧化原贵金属催化剂是商业的 5Y (，但是，贵金高，而且稳定性不好，特别是直接的甲醇燃料电池，5Y ( 会甲醇中。现在，为解决上述问题，研究学者们主要从以下四种方式来改善( ) 调节控制 5Y 纳米粒子的晶面，结构以及粒子大小，最高限度位点；( ) 5Y 与其他金属结合，形成多种金属的形式，比如复合物) 引入其他分子来处理 5Y 纳米粒子的表面，这不仅能提高催化剂的且还有利于产生一些其它特有的性质；( ) 选择合适的催化剂载体腐蚀以及中毒。

【参考文献】