钴基尖晶石的合成与氧还原电催化性能

发布时间：2017-06-22 18:00

  本文关键词：钴基尖晶石的合成与氧还原电催化性能，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：甲醇燃料电池(DMFC)的商用阴极催化剂——铂基催化剂,成了电池推广应用的瓶颈问题。这是因为铂碳类存在着价格昂贵、稳定性差和甲醇中毒等问题。为此,需要寻找其他催化剂来解决这些问题。本论文以钴基尖晶石为研究对象,展开了以下三部分的探索。第一部分,运用3个正交实验探索了三种钴基催化剂Co-S、Co-Mn和Co-Ni的合成,尝试从中找到一些有利于提高氧还原反应催化效率的因素。对得到的结果进行统计分析,合成条件大致确定:溶剂选用乙二醇,溶剂热温度在180°C左右,时间可以确定为4 h,需要在空气中煅烧氧化。而仍值得探索的是金属盐与沉淀剂的不同组合。第二部分,用简单的溶剂热法提高钴基尖晶石(MCo2X4)对氧还原反应的电催化性能。溶剂热的条件通过正交实验L18(2×37)得到合理的优化。实验考虑了5个条件,它们对ORR的影响大小排序为金属成分溶剂热温度煅烧温度沉淀剂溶剂成分。锰,镍或硫分别作为金属成分或沉淀剂,被引入到Co_3O_4中,来确定最佳的MCo2X4。结果表明,在这些MCo2X4之中,纯的Co_3O_4性能最好。碳黑负载的Co_3O_4(Co_3O_4/C)的极限电流达到商用铂碳的90%,表明Co_3O_4/C接近铂碳的催化效率。甲醇耐受性的测试结果显示,Co_3O_4/C工作了6小时后仍保持95%的电流,展现了更好的甲醇耐受性和长时间的稳定性。第三部分,制备出氮磷共掺碳负载的纳米四氧化三钴(Co_3O_4/NPC),并研究了它的氧还原反应和析氧反应性能。为了制备Co_3O_4/NPC,先用三聚氰胺、植酸和碳载体煅烧成NPC,接着用溶剂热法在NPC表面负载Co_3O_4。线性扫描伏安法用来评估OER和ORR的性能。在OER方面,Co_3O_4/NPC的起始电势是0.54 V(以饱和甘汞电极为参比电极),在0.80 V时电流密度达到21.95 mA cm 2,均优于Co_3O_4/C和NPC。Co_3O_4/NPC的高效OER催化可归因于氮磷共掺物与Co_3O_4之间的协同作用。在ORR方面,Co_3O_4/NPC的催化效率与商用Pt/C的相近,它们的扩散极限电流密度分别为 4.49和 4.76 mA cm 2(E= 0.80 V)。在ORR过程中,Co_3O_4起到主要的催化作用。用计时电流(电流-时间)法评估催化剂的稳定性。经6 h的测试,在OER方面,Co_3O_4/NPC剩46%电流;在ORR方面,剩95%电流。整体而言,Co_3O_4/NPC在OER和ORR表现出高催化效率以及较好的稳定性。
【关键词】：钴 掺杂碳 氧还原反应 电催化
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 背景10
• 1.2 甲醇燃料电池10-12
• 1.3 氧还原电催化剂12-16
• 1.3.1 Pt基催化剂12-13
• 1.3.2 非Pt基金属催化剂13-14
• 1.3.3 碳材料14-16
• 1.4 正交实验16
• 1.5 本论文研究内容16-18
• 1.5.1 钴基催化剂的制备17
• 1.5.2 钴基尖晶石催化剂的制备、ORR催化性能研究及表征17
• 1.5.3 Co_3O_4/NPC的制备、ORR与OER催化性能研究及表征17-18
• 第二章 实验的准备18-20
• 2.1 试剂与仪器18-19
• 2.2 电极的准备19-20
• 第三章 钴基催化剂制备条件20-29
• 3.1 引言20
• 3.2 实验20-21
• 3.2.1 催化剂的制备20
• 3.2.2 电测试的准备20-21
• 3.3 结果与讨论21-27
• 3.3.1 Co-Mn催化剂正交实验结果21-23
• 3.3.2 Co-Ni催化剂正交实验结果23-25
• 3.3.3 Co-S催化剂正交实验结果25-27
• 3.4 本章小结27-29
• 第四章 钴基尖晶石催化剂的制备、ORR催化性能研究及表征29-43
• 4.1 引言29-31
• 4.2 实验部分31-33
• 4.2.1 催化剂的制备31-32
• 4.2.2 样品表征32-33
• 4.2.3 电测试33
• 4.3 结果与讨论33-42
• 4.3.1 合成与表征33-35
• 4.3.2 电催化性能测试35-42
• 4.4 本章小结42-43
• 第五章 氮磷共掺碳载四氧化三钴的合成与氧的双催化性能43-55
• 5.1 引言43-44
• 5.2 实验部分44-46
• 5.2.1. 催化剂制备44-45
• 5.2.2. 样品表征45
• 5.2.3. 电测试准备45-46
• 5.3. 结果与讨论46-54
• 5.3.1. 合成46-47
• 5.3.2. 表征47-49
• 5.3.3. 电测试49-54
• 5.4 本章小结54-55
• 结论55-56
• 参考文献56-67
• 攻读博士/硕士学位期间取得的研究成果67-68
• 致谢68-69
• 附件69

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本文编号：472581