碳基纳米材料电催化氧还原反应的理论与模拟研究
发布时间：2022-02-14 11:35
质子交换膜燃料电池作为新能源技术之一,可以将氢气、甲醇等燃料的化学能直接转化为电能,转化过程简便高效且对环境友好。但是目前这项技术仅在示范级的氢燃料电池汽车、实验级的千瓦级发电装置中得到应用,尚未得到全球范围内多领域的大规模推广,主要原因之一是在阴极氧还原反应（ORR）中需要大量使用铂系材料作为催化剂,而铂的储量有限、价格昂贵,且在高电流密度下的稳定性较差。碳基纳米材料作为非金属催化剂,已有报道证明具有一定的ORR活性,但是ORR催化机理不明,且在酸性条件下的活性有待进一步提高。除应用之外,ORR也是基础电化学研究中的重要反应之一。本论文主要利用密度泛函理论（DFT）计算,辅以部分的分子动力学模拟与实验,来综合考察碳基纳米材料的结构性质与ORR催化活性的本质来源,并试图以此指导碳基ORR催化剂的研发方向。论文主要包括以下内容:（1）掺氮碳纳米管（NCNT）在碱性条件下具有和商业Pt/C催化剂媲美的活性,但是酸性条件下的活性较差。利用DFT计算研究了NCNT的电子结构和表面溶剂势场分布,发现水合氢离子H3O+在NCNT表面与溶剂静电势的综合作用...
【文章来源】：华南理工大学广东省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池装置示意图及工作流程
图 1-2 运输业整合型燃料电池系统和氢能生产输送储存的成本现状与预期计划igure 1-2 Status and targets for the cost of integrated transportation fuel cell power systems and hydrogproducing, delivering and storing.（2）稳定性问题。燃料电池系统在实际运行时要受到多方面的影响，例如燃料气中的杂质、电池的启停、环境温度的过冷或过热、空气湿度、撞击、持续运转等，这些影响对燃料电池各部件的机械稳定性和化学稳定性都是极大的考验。用通业的燃料电池，通常要求循环稳定性至少达到 5000 小时，而对于固定设备则要高，需至少达到 60000小时。参考 FCT办公室《MYRD&D》计划书，2015年统计表明，用于运输业的 80 kW 级整合型燃料电池系统的稳定性表现较差，以输出电减 10%为依据，电池平均寿命仅为 3900 小时。2020 年预期目标为 5000 小时，而目标是 8000 小时。此外，上述结果是相对较为乐观的统计和预测，因为在满足稳优良的同时，必须也要符合成本的预期目标，而稳定性问题根本上也是成本问题划书亦指出，在稳定性问题上最难攻克的是需要正确理解催化剂和交换膜的失活
图 1-3 氧还原反应的表观二电子和四电子路径Schematic of the two-electron and the four-electron pathways for oxygen reduc的 pH 值会影响 ORR 中间产物和最终产物的存在形式，对应的-2所示。表 1-2 ORR的电极反应方程式及标准电极电势 Electrode reaction equations for ORR and the corresponding standard electrod 转移电子数 反应方程式 标准电极4 O2+ 4H++ 4e 2H2O 1.2 O2+ 2H++ 2e H2O20.4 O2+ 2H2O + 4e 4OH 0.2 O2+ H2O + 2e HO2 + OH -0反应过程中，氧气可能以 2e 途径生成过氧化物，酸性条件下是
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧还原碳基非贵金属电催化剂研究进展[J]. 钟国玉,王红娟,余皓,彭峰. 化学学报. 2017(10)
[2]New design paradigm for heterogeneous catalysts[J]. Aleksandra Vojvodic,Jens K.N?rskov. National Science Review. 2015(02)
本文编号：3624474
【文章来源】：华南理工大学广东省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池装置示意图及工作流程
图 1-2 运输业整合型燃料电池系统和氢能生产输送储存的成本现状与预期计划igure 1-2 Status and targets for the cost of integrated transportation fuel cell power systems and hydrogproducing, delivering and storing.（2）稳定性问题。燃料电池系统在实际运行时要受到多方面的影响，例如燃料气中的杂质、电池的启停、环境温度的过冷或过热、空气湿度、撞击、持续运转等，这些影响对燃料电池各部件的机械稳定性和化学稳定性都是极大的考验。用通业的燃料电池，通常要求循环稳定性至少达到 5000 小时，而对于固定设备则要高，需至少达到 60000小时。参考 FCT办公室《MYRD&D》计划书，2015年统计表明，用于运输业的 80 kW 级整合型燃料电池系统的稳定性表现较差，以输出电减 10%为依据，电池平均寿命仅为 3900 小时。2020 年预期目标为 5000 小时，而目标是 8000 小时。此外，上述结果是相对较为乐观的统计和预测，因为在满足稳优良的同时，必须也要符合成本的预期目标，而稳定性问题根本上也是成本问题划书亦指出，在稳定性问题上最难攻克的是需要正确理解催化剂和交换膜的失活
图 1-3 氧还原反应的表观二电子和四电子路径Schematic of the two-electron and the four-electron pathways for oxygen reduc的 pH 值会影响 ORR 中间产物和最终产物的存在形式，对应的-2所示。表 1-2 ORR的电极反应方程式及标准电极电势 Electrode reaction equations for ORR and the corresponding standard electrod 转移电子数 反应方程式 标准电极4 O2+ 4H++ 4e 2H2O 1.2 O2+ 2H++ 2e H2O20.4 O2+ 2H2O + 4e 4OH 0.2 O2+ H2O + 2e HO2 + OH -0反应过程中，氧气可能以 2e 途径生成过氧化物，酸性条件下是
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧还原碳基非贵金属电催化剂研究进展[J]. 钟国玉,王红娟,余皓,彭峰. 化学学报. 2017(10)
[2]New design paradigm for heterogeneous catalysts[J]. Aleksandra Vojvodic,Jens K.N?rskov. National Science Review. 2015(02)
本文编号：3624474
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