钴氮双掺杂共轭聚合物衍生碳材料的制备及其氧还原性能研究
发布时间：2021-03-07 09:38
为了缓解全球化石能源的短缺问题以及解决其在开发使用过程中造成的环境污染问题,发展燃料电池这种具有高效、清洁、可再生的新型能源转化装置成为目前能源发展的重要方向之一。目前商用燃料电池大都使用贵金属铂基催化剂作为阴极氧还原催化材料。但是铂昂贵的价格、低的全球储量以及在氧还原反应过程中的易遭受有害物质毒化和低的反应耐久性问题都成为限制燃料电池大规模应用的因素。因此,开发新型的低价格、抗中毒、来源广泛以及具有耐久性的阴极氧还原催化剂成为燃料电池发展的重要研究方向。本文以不同的含氮单体为原料,由化学氧化法制备了不同的共轭聚合物,并同时在此基础上掺杂第Ⅷ副族金属元素,以此为前驱体,经高温碳化得到掺杂的共轭聚合物衍生碳材料,并对其物理结构进行了表征,测试了掺杂共轭聚合物衍生碳材料的氧还原性能等其它电化学性能。研究内容主要如下:（1）以吡咯为单体,以无水三氯化铁同偶氮染料甲基橙形成的纤维状胶束为软模板,自组装制备了一维纳米管状聚吡咯共轭聚合物。分别以800℃,900℃,1000℃为热解温度进行高温碳化,制备了PPy-NCNTs-800,PPy-NCNTs-900,PPy-NCNTs-1000三种不同的...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池结构图[6]
一种方法是引入第二种低成本的活性元素，与Pt形成铂基纳米合金颗粒，通过形成铂合金[29,30]，可以有效调节Pt原子的几何结构及电子结构，使铂合金催化剂拥有更加适宜的氧结合能，不仅提高其ORR活性，同时可以有效降低Pt的负载量，提高Pt的利用率。Greeley等人[31]将Pt与过渡金属元素如Sc和Y组成新的催化剂，电化学测量表明，相对于纯Pt，二元合金Pt3Sc和Pt3Y电极的活性分别在0.9-0.87V范围内提高了1.5-1.8和6-10倍。此外，Greeley等人研究了Pt与不同过渡金属的合金的ORR行为。其氧化还原性能呈火山型关系。见图1.4。图1.4Pt合金的火山模型[32]Fig.1.4ThevolcanicmodelofPtalloy[32]
，参与设计单体种类丰富，易于修饰和功能化，相比于脂肪族化合物具有更宜调控和稳定的碳纳米结构。目前已经有许多报道提到氮掺杂对碳材料在氧电还原反应中的积极影响[100-103]。N原子的掺杂进一步使碳材料的几何结构和电子结构发生变化，产生的杂原子缺陷位是目前已知的电催化活性中心的来源[104]。纯吡咯(Pyrrole)是一种含N、C的五元环结构，常温下为无色油状液体，其聚合活化能较低，一般可直接通过化学氧化法[105]和电化学法[106]将其聚合成富氮杂环共轭聚合物—聚吡咯（Polypyrrole，简称PPy）。聚吡咯分子式如图3.1所示[107]，通常为无定型黑色固体粉末。图3.1聚吡咯分子式Fig.3.1Molecularstructureofpolypyrrole在惰性氛围下对聚吡咯进行热解可以获得富含N原子的碳化物。已有研究表明，具有管状形貌的聚吡咯碳化物具有比颗粒状聚吡咯碳化物有更好的ORR催化活性，MorozanA等人认为这主要归功于管状形貌的聚吡咯具有更好的导电性[108]。此外，为了提高氮掺杂碳基催化剂的电催化活性，除了提高催化剂固有的活性位点的催化活性外，对催化剂进行形貌和孔结构的调控，如制备一维管状碳基催化剂更有利于暴露催化活性位点[109,110]，提高ORR催化性能。基于此，本章实验使用化学氧化法，以无水三氯化铁为氧化剂，同时与偶氮染料甲基橙（MO）经过搅拌混合形成的纤维状胶束为软模板，自组装制备一维管状聚吡咯纳米管[111]。在惰性氛围下热解，得到原位氮掺杂碳纳米管材料（NCNTs）,
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温燃料电池阴极氧还原反应催化剂研究进展[J]. 赵经纬,蔡园满,易秘,梅泽峰. 江西化工. 2019(06)
[2]质子交换膜燃料电池改性铂基催化剂研究进展[J]. 杨金富,毕向光,王火印,刘锋,李权,卢峰,赵云昆. 贵金属. 2016(04)
[3]国外燃料电池研究动向[J]. 吴承伟,张伟. 能源工程. 2003(02)
[4]旋转环盘电极在研究氧还原机理中的应用[J]. 刘磊. 信阳师范学院学报(自然科学版). 1989(03)
博士论文
[1]多元多尺度氧气还原电催化材料的结构调控与功能化[D]. 刘海静.北京化工大学 2013
硕士论文
[1]基于苯胺类聚合物的燃料电池催化剂研究[D]. 黄嘉勋.浙江大学 2018
[2]共轭聚合物的构型研究与应用[D]. 张玲莉.复旦大学 2014
本文编号：3068838
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池结构图[6]
一种方法是引入第二种低成本的活性元素，与Pt形成铂基纳米合金颗粒，通过形成铂合金[29,30]，可以有效调节Pt原子的几何结构及电子结构，使铂合金催化剂拥有更加适宜的氧结合能，不仅提高其ORR活性，同时可以有效降低Pt的负载量，提高Pt的利用率。Greeley等人[31]将Pt与过渡金属元素如Sc和Y组成新的催化剂，电化学测量表明，相对于纯Pt，二元合金Pt3Sc和Pt3Y电极的活性分别在0.9-0.87V范围内提高了1.5-1.8和6-10倍。此外，Greeley等人研究了Pt与不同过渡金属的合金的ORR行为。其氧化还原性能呈火山型关系。见图1.4。图1.4Pt合金的火山模型[32]Fig.1.4ThevolcanicmodelofPtalloy[32]
，参与设计单体种类丰富，易于修饰和功能化，相比于脂肪族化合物具有更宜调控和稳定的碳纳米结构。目前已经有许多报道提到氮掺杂对碳材料在氧电还原反应中的积极影响[100-103]。N原子的掺杂进一步使碳材料的几何结构和电子结构发生变化，产生的杂原子缺陷位是目前已知的电催化活性中心的来源[104]。纯吡咯(Pyrrole)是一种含N、C的五元环结构，常温下为无色油状液体，其聚合活化能较低，一般可直接通过化学氧化法[105]和电化学法[106]将其聚合成富氮杂环共轭聚合物—聚吡咯（Polypyrrole，简称PPy）。聚吡咯分子式如图3.1所示[107]，通常为无定型黑色固体粉末。图3.1聚吡咯分子式Fig.3.1Molecularstructureofpolypyrrole在惰性氛围下对聚吡咯进行热解可以获得富含N原子的碳化物。已有研究表明，具有管状形貌的聚吡咯碳化物具有比颗粒状聚吡咯碳化物有更好的ORR催化活性，MorozanA等人认为这主要归功于管状形貌的聚吡咯具有更好的导电性[108]。此外，为了提高氮掺杂碳基催化剂的电催化活性，除了提高催化剂固有的活性位点的催化活性外，对催化剂进行形貌和孔结构的调控，如制备一维管状碳基催化剂更有利于暴露催化活性位点[109,110]，提高ORR催化性能。基于此，本章实验使用化学氧化法，以无水三氯化铁为氧化剂，同时与偶氮染料甲基橙（MO）经过搅拌混合形成的纤维状胶束为软模板，自组装制备一维管状聚吡咯纳米管[111]。在惰性氛围下热解，得到原位氮掺杂碳纳米管材料（NCNTs）,
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温燃料电池阴极氧还原反应催化剂研究进展[J]. 赵经纬,蔡园满,易秘,梅泽峰. 江西化工. 2019(06)
[2]质子交换膜燃料电池改性铂基催化剂研究进展[J]. 杨金富,毕向光,王火印,刘锋,李权,卢峰,赵云昆. 贵金属. 2016(04)
[3]国外燃料电池研究动向[J]. 吴承伟,张伟. 能源工程. 2003(02)
[4]旋转环盘电极在研究氧还原机理中的应用[J]. 刘磊. 信阳师范学院学报(自然科学版). 1989(03)
博士论文
[1]多元多尺度氧气还原电催化材料的结构调控与功能化[D]. 刘海静.北京化工大学 2013
硕士论文
[1]基于苯胺类聚合物的燃料电池催化剂研究[D]. 黄嘉勋.浙江大学 2018
[2]共轭聚合物的构型研究与应用[D]. 张玲莉.复旦大学 2014
本文编号：3068838
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