基于对苯二胺的燃料电池非贵金属氧还原催化剂

发布时间：2017-03-19 23:01

  本文关键词：基于对苯二胺的燃料电池非贵金属氧还原催化剂，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为环保、高效的能源技术,燃料电池有望在交通运输、发电等领域得到广泛应用。然而,由于需要使用贵金属铂作为阴极氧还原反应的催化剂,高昂的价格一直阻碍着燃料电池的商业化进程。近年来,非贵金属氧还原催化剂由于来源广泛、价格低廉、性能良好等优点,受到了研究者的广泛关注。而苯胺类化合物由于聚合后热稳定性好、含氮量高,被广泛用作非贵金属氧还原催化剂的含氮前驱体。本文采用对苯二胺为前驱体,制备了Fe/N/C催化剂和掺氮碳材料两种非贵金属氧还原催化剂,对两类催化剂进行了物理表征和电化学性能测试,并进一步研究了催化剂的稳定性。Fe/N/C催化剂是目前酸性介质中最具发展潜力的非贵金属氧还原催化剂。本文利用对苯二胺作为含氮前驱体,采用氧化锌纳米颗粒为硬模板固相聚合对苯二胺,制备了自支撑的Fe/N/C催化剂。透射电子显微镜表征表明,加入氧化锌后聚对苯二胺的形貌由块状转变为薄层状。氮气吸脱附实验表明,加入氧化锌后样品的BET比表面积由122 m2/g提高到1215 m2/g。X射线粉末衍射和X射线光电子能谱表征均说明两者的成分与组成基本一致,最后样品中没有氧化锌残留。用旋转圆盘电极装置测试了样品在0.1 mol/LHC104溶液中的氧还原极化曲线,实验表明加入氧化锌后由于比表面积的增大,样品的氧还原性能有了很大的提高,半波电位只比商业碳载铂低了40 mV,0.8 V(参照可逆氢电极)的质量活性密度达到了21.9A/g。针对自支撑的Fe/N/C催化剂稳定性不足的挑战,在制备Fe/N/C催化剂的过程中掺入了纳米氧化铈,得到了氧化铈掺杂的Fe/N/C催化剂。氧化铈是常用的自由基淬灭基,可以消除氧还原过程产生的双氧水,减少自由基的产生,从而提高催化剂的稳定性。氧气氛围下的加速老化试验表明,氧化铈掺杂的Fe/N/C催化剂在1000圈循环后,氧还原极化曲线没有明显变化,半波电位只往低电位移动了25 mV,稳定性得到了增强。另外,掺氮碳材料由于在碱性介质中具有良好的氧还原催化活性,而且来源广泛,制备简单,受到了广大研究者的关注。本文利用对苯二胺作为含氮前驱体,调节了聚对苯二胺和碳黑的比例,之后进行热解制备了一系列掺氮碳材料。经过优化后的聚对苯二胺/碳黑复合物在0.1 mol/L KOH溶液中具有优秀的氧还原活性,其氧还原极化曲线的半波电位比商业碳载铂高了40 mV。扫描电子显微镜表征表明,碳黑聚集在聚对苯二胺的表面,减少了聚对苯二胺颗粒的大小。氮气吸脱附实验表明,优化后的聚对苯二胺/碳黑复合物具有分级孔结构,活性位点主要位于聚对苯二胺表面的微孔内,而碳黑大的外比表面积有利于物质的传输,因此具有最好的氧还原活性。但是,当样品在空气中放置30天后,其氧还原活性有较大的下降,-0.1 V(参照氯化银电极)的电流密度衰减了1.02 mA/cm2。X射线光电子能谱表明,样品的氧含量增加了1%,说明其与空气中的氧气发生反应,导致活性位点遭到破坏,氧还原催化活性下降。
【关键词】：对苯二胺 非贵金属催化剂 氧还原 活性 稳定性
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 引言11-12
• 1.2 燃料电池原理12-13
• 1.3 燃料电池分类13-14
• 1.4 质子交换膜燃料电池发展及挑战14-16
• 1.5 非贵金属氧还原催化剂研究进展16-17
• 1.6 基于苯胺类化合物的Fe/N/C催化剂17-20
• 1.7 本论文研究思路及意义20-22
• 参考文献22-24
• 第二章 基于对苯二胺的高活性Fe/N/C催化剂24-44
• 2.1 引言24-30
• 2.2 实验部分30-32
• 2.3 实验结果与讨论32-41
• 2.4 本章小结41-42
• 参考文献42-44
• 第三章 基于对苯二胺的高稳定性Fe/N/C催化剂44-57
• 3.1 引言44-51
• 3.2 实验部分51-52
• 3.3 实验结果与讨论52-54
• 3.4 本章小结54-55
• 参考文献55-57
• 第四章 基于对苯二胺的高活性掺氮碳材料及其稳定性研究57-76
• 4.1 引言57-63
• 4.2 实验部分63-64
• 4.3 实验结果与讨论64-72
• 4.4 本章小结72-74
• 参考文献74-76
• 第五章 结论与展望76-78
• 5.1 结论76-77
• 5.2 展望77
• 参考文献77-78
• 攻读硕士期间学术成果78-79
• 致谢79-80

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本文编号：256699