酸性体系中Co-N-C氧还原催化剂的改性研究
发布时间：2021-03-31 08:32
化石能源作为今天世界能源的主要来源,是社会经济发展的重要推力,但是由于其不可再生和污染排放等问题,已引起全球关于能源短缺和气候变化的担忧。相较于传统的化石燃料,金属-空气电池、燃料电池等电化学转换和储能技术存在许多优势。然而,这些技术的广泛应用必须克服动力学缓慢的阴极氧还原反应（ORR）,而这离不开高效、低毒、成本低廉和绿色可持续的催化剂。原子级分散的活性位点催化剂,其完全暴露的原子能够提高活性位点的数量;低配位不饱和的状态和增强的金属载体相互作用能够提高活性位点的本征活性,这两方面的协同促进有利于提高催化剂的性能。原子级分散的Co-N-C催化剂由于其微弱的芬顿反应成为取代在酸性体系中性能最好的Fe-N-C催化剂的最佳选择。然而,Co-N-C催化剂面临两个主要难题:1)较低的本征活性;2)高的H2O2产率,这极大的制约了其实际应用。针对上述问题,本论文工作以Co-N-C催化剂为研究对象,通过在Co-N-C催化剂中引入其它金属元素以补偿其较低的本征活性并降低H2O2产率。研究工作主要集中在以下两个方面...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
清洁型能量转换与储存技术[4]
料电池概述燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置，是继水力发电、火力发电、化学发电之后第四种发电方式。如图1-2所示[8]，燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气在阳极上发生氧化反应，放出电子，电子经外电路传导到阴极使氧化气发生氧化反应生成离子，离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。图1-2燃料电池示意图[8]由于燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。同时燃料电池还具有能量转换效率高，负荷响应快，环境亲和，燃料多样，安装灵活，占地面积小，建设周期短等优点。综合以上优点，燃料电池用途广泛，既可应用于军事、空间、发电厂领域，也可应用于机动车、
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文41.2.2氧气还原反应概述氧气还原反应（OxygenReductionReaction，ORR）作为PEMFC中重要的阴极反应，其反应速率比阳极的氢氧化反应慢六个数量级以上，这严重限制PEMFC的发展，因此目前大部分的研究工作都集中在阴极催化剂开发和改进。氧气电催化还原反应是一个复杂的多电子转移电极反应，其中包括一系列基元步骤和许多中间产物，且中间产物对很多因素表现敏感，如催化剂种类、电解质、电极电势等。结合研究人员的研究成果[9]，氧还原反应的机理被认为主要是以下途径（图1-3）。图1-3氧气还原反应机理图（1）直接四电子途径碱性电解质：O2+2H2O+4e-→4OH-（1-1）酸性电解质：O2+4H++4e-→2H2O（1-2）（2）二电子途径碱性电解质：O2+H2O+2e-→HO2-+OH-（1-3）进一步的还原反应或分解反应HO2-+H2O+2e-→3OH-（1-4）2HO2-→2OH-+O2（1-5）酸性电解质：O2+2H++2e-→H2O2（1-6）进一步的还原反应或分解反应H2O2+2H++2e-→2H2O（1-7）2H2O2→2H2O+O2（1-8）对于绝大多数电催化氧气还原反应，单纯的四电子反应途径难以实现，大部分是以二电了与四电子相结合的反应途径为主导。从O2解离活化能角度考虑，O2直接解离能要远大于质子和电子转移后形成的过氧化物吸附中间体（H2O2或HO2-）的解离能。所以直接四电子反应途径活化能高于二电子反应途径。但是对PEMFC而言，所希望发生的O2还原为四电子反应途径，二电子还原过程需要尽力避免，这是因为二电子反应过程不利于能量转化，其生成的吸附中间体可能会逆向分解生成O2从而降低PEMFC的能量转化效率；此外二电子过程生成的
本文编号：3111133
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
清洁型能量转换与储存技术[4]
料电池概述燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置，是继水力发电、火力发电、化学发电之后第四种发电方式。如图1-2所示[8]，燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气在阳极上发生氧化反应，放出电子，电子经外电路传导到阴极使氧化气发生氧化反应生成离子，离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。图1-2燃料电池示意图[8]由于燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。同时燃料电池还具有能量转换效率高，负荷响应快，环境亲和，燃料多样，安装灵活，占地面积小，建设周期短等优点。综合以上优点，燃料电池用途广泛，既可应用于军事、空间、发电厂领域，也可应用于机动车、
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文41.2.2氧气还原反应概述氧气还原反应（OxygenReductionReaction，ORR）作为PEMFC中重要的阴极反应，其反应速率比阳极的氢氧化反应慢六个数量级以上，这严重限制PEMFC的发展，因此目前大部分的研究工作都集中在阴极催化剂开发和改进。氧气电催化还原反应是一个复杂的多电子转移电极反应，其中包括一系列基元步骤和许多中间产物，且中间产物对很多因素表现敏感，如催化剂种类、电解质、电极电势等。结合研究人员的研究成果[9]，氧还原反应的机理被认为主要是以下途径（图1-3）。图1-3氧气还原反应机理图（1）直接四电子途径碱性电解质：O2+2H2O+4e-→4OH-（1-1）酸性电解质：O2+4H++4e-→2H2O（1-2）（2）二电子途径碱性电解质：O2+H2O+2e-→HO2-+OH-（1-3）进一步的还原反应或分解反应HO2-+H2O+2e-→3OH-（1-4）2HO2-→2OH-+O2（1-5）酸性电解质：O2+2H++2e-→H2O2（1-6）进一步的还原反应或分解反应H2O2+2H++2e-→2H2O（1-7）2H2O2→2H2O+O2（1-8）对于绝大多数电催化氧气还原反应，单纯的四电子反应途径难以实现，大部分是以二电了与四电子相结合的反应途径为主导。从O2解离活化能角度考虑，O2直接解离能要远大于质子和电子转移后形成的过氧化物吸附中间体（H2O2或HO2-）的解离能。所以直接四电子反应途径活化能高于二电子反应途径。但是对PEMFC而言，所希望发生的O2还原为四电子反应途径，二电子还原过程需要尽力避免，这是因为二电子反应过程不利于能量转化，其生成的吸附中间体可能会逆向分解生成O2从而降低PEMFC的能量转化效率；此外二电子过程生成的
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