Au-Cu 2-x M/碳纳米管（M=O,S）纳米复合催化剂的可控构筑及氧还原性能研究
发布时间：2020-12-23 23:21
质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中氧还原反应（ORR）是O2在阴极催化剂表面直接得电子生成H2O的高效能量转化过程。目前,ORR所用Pt催化剂因其价格昂贵、含量稀少等特点,成为制约PEMFCs大规模商业化应用的主要因素。将过渡金属氧化物与贵金属Au、Pd等复合形成纳米复合催化剂,在节约成本的同时可以有效提升电催化活性。其中Cu基材料由于价格低廉、含量丰富、容易向O2提供电子等优点,在电催化中的应用越来越受到重视。基于此,本论文可控构筑微量Au修饰的Cu2-xM/CNTs（M=O,S）纳米复合材料,重点考察Au引入量、Cu2O形貌、Cu空位缺陷对ORR催化性能的影响并揭示催化剂的构效关系、协同作用和电催化性能。本论文具体研究内容如下:1、制备Au含量不同的Au-Cu2O/CNTs纳米复合催化剂。探索Au和Cu2O之间协同作用对催化性能的影响。研究表明,经过微量Au修饰的Au-Cu2O/CNTs纳米复合催化剂由于A...
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池的组成
内蒙古大学硕士学位论文极为氢燃料发生氧化的场所，氢燃料主要来源于氢气或者净化重整气，因此对于阳极催化剂来说除了要求具有较高的活性和氧化性外，还应具有抗 CO 中毒能力。阴极为氧还原的场所，氧化剂来源于空气中的氧气或者纯氧[14]。PEMFCs 的具体工作过程如下：在阳极，H2经过阳极集流板由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层，在催化剂的作用下，H2分解为氢离子并释放出带负电的电子，完成阳极反应。阳极反应生成的氢离子透过质子交换膜到达阴极催化剂层，电子通过外电路到达阴极，形成电流。在阴极，O2通过阴极集流板由阴极气体扩散层到达阴极催化剂层，在催化剂作用下，O2分子与透过质子交换膜的氢离子以及外电路的电子发生反应生成水，完成阴极反应。由于质子交换膜具有选择透过性，只能允许质子透过，而电子只能通过外电路从阳极移动到阴极，从而在阴极发生氧气的还原反应。电极的反应为[15, 16]：阳极：H2→2H++2e-(1-1)阴极： O2+2H++2e-→H2O (1-2)总反应式：H2+ O2→H2O (1-3)
内蒙古大学硕士学位论文中间体，然后形成的 O*中间体再进一步被还原为 OH*和 H2O。第二种途径称为缔合途径，在这一途径中 O2*首先形成 OOH*，而后 O-O 键断裂分别形成 O*和 OH*两个中间体，最后形成 H2O。第三个途径称为过氧途径(或者二次缔合途径)，在 O-O 键断裂前，O2*依次被还原为 OOH*和 HOOH*活性中间体，再经过断键形成 OH*，最后形成 H2O。因此，金属与中间物种的结合能(如 O*、OOH*、OH*)是研究 ORR 动力学的关键。氧物种与催化剂表面的结合能决定催化剂活性。催化剂应与氧物种有适度的结合能，如果电极表面对氧物种的吸附太弱，则电子转移到吸附氧表面就会受到限制。然而，对氧物种的吸附过强会导致生成的 H2O 解析困难，而阻碍活性位点进一步吸附 O2。2004 年 N rskov等[16]研究了不同金属催化剂的氧还原活性与 O*和 OH*结合能之间的关系，如图 1.3 所示。由火山图可以得出，Pt、Pd 对 ORR 的电催化活性比地球上含量丰富的非贵金属(如 Fe、Co、Ni)性能更优，它们仍然是 ORR 最具潜力的催化剂。同时，构筑复合材料可以提高 ORR 电催化活性，具有较大提升空间，这为设计经济高效的 ORR 催化剂提供了依据。
【参考文献】：
期刊论文
[1]全Pd催化剂质子交换膜燃料电池[J]. 胡清平,潘婧,庄林,陆君涛. 高等学校化学学报. 2013(01)
[2]三元合金氧还原电催化剂(英文)[J]. 罗瑾,杨乐夫,陈秉辉,钟传建. 电化学. 2012(06)
本文编号：2934522
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池的组成
内蒙古大学硕士学位论文极为氢燃料发生氧化的场所，氢燃料主要来源于氢气或者净化重整气，因此对于阳极催化剂来说除了要求具有较高的活性和氧化性外，还应具有抗 CO 中毒能力。阴极为氧还原的场所，氧化剂来源于空气中的氧气或者纯氧[14]。PEMFCs 的具体工作过程如下：在阳极，H2经过阳极集流板由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层，在催化剂的作用下，H2分解为氢离子并释放出带负电的电子，完成阳极反应。阳极反应生成的氢离子透过质子交换膜到达阴极催化剂层，电子通过外电路到达阴极，形成电流。在阴极，O2通过阴极集流板由阴极气体扩散层到达阴极催化剂层，在催化剂作用下，O2分子与透过质子交换膜的氢离子以及外电路的电子发生反应生成水，完成阴极反应。由于质子交换膜具有选择透过性，只能允许质子透过，而电子只能通过外电路从阳极移动到阴极，从而在阴极发生氧气的还原反应。电极的反应为[15, 16]：阳极：H2→2H++2e-(1-1)阴极： O2+2H++2e-→H2O (1-2)总反应式：H2+ O2→H2O (1-3)
内蒙古大学硕士学位论文中间体，然后形成的 O*中间体再进一步被还原为 OH*和 H2O。第二种途径称为缔合途径，在这一途径中 O2*首先形成 OOH*，而后 O-O 键断裂分别形成 O*和 OH*两个中间体，最后形成 H2O。第三个途径称为过氧途径(或者二次缔合途径)，在 O-O 键断裂前，O2*依次被还原为 OOH*和 HOOH*活性中间体，再经过断键形成 OH*，最后形成 H2O。因此，金属与中间物种的结合能(如 O*、OOH*、OH*)是研究 ORR 动力学的关键。氧物种与催化剂表面的结合能决定催化剂活性。催化剂应与氧物种有适度的结合能，如果电极表面对氧物种的吸附太弱，则电子转移到吸附氧表面就会受到限制。然而，对氧物种的吸附过强会导致生成的 H2O 解析困难，而阻碍活性位点进一步吸附 O2。2004 年 N rskov等[16]研究了不同金属催化剂的氧还原活性与 O*和 OH*结合能之间的关系，如图 1.3 所示。由火山图可以得出，Pt、Pd 对 ORR 的电催化活性比地球上含量丰富的非贵金属(如 Fe、Co、Ni)性能更优，它们仍然是 ORR 最具潜力的催化剂。同时，构筑复合材料可以提高 ORR 电催化活性，具有较大提升空间，这为设计经济高效的 ORR 催化剂提供了依据。
【参考文献】：
期刊论文
[1]全Pd催化剂质子交换膜燃料电池[J]. 胡清平,潘婧,庄林,陆君涛. 高等学校化学学报. 2013(01)
[2]三元合金氧还原电催化剂(英文)[J]. 罗瑾,杨乐夫,陈秉辉,钟传建. 电化学. 2012(06)
本文编号：2934522
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/2934522.html
