氮化钛负载非贵金属催化剂的氧还原性能研究

发布时间：2017-07-17 02:21

  本文关键词：氮化钛负载非贵金属催化剂的氧还原性能研究

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【摘要】：质子交换膜燃料电池作为一种清洁、高效的能量转换装置,具有操作方便、响应速度快、以及安装地点灵活等优点,可广泛应用于汽车、家用电器等。然而,质子交换膜燃料电池的商业化进程却因为催化剂的价格昂贵、稳定性差等原因迟迟未能实现,而阴极的氧还原催化剂更是研究的重中之重。目前所使用的最为广泛的是贵金属催化剂(如Pt/C),但由于金属Pt资源有限,且价格十分高昂,使得研究新型的、价格低廉的、稳定性高的氧还原催化剂成为了新一轮的研究热点之一。本论文旨在使用价格低廉的非贵金属,制备出具有良好氧还原活性的质子交换膜燃料电池阴极催化剂。文中采用具有高导电率以及耐腐蚀性好的纳米氮化钛作为载体,分别负载钴钼、铁钼金属,运用改进的溶胶—凝胶方法,在NH3气氛中还原得到氮化钛负载的钴钼/铁钼催化剂,并研究了其氧还原催化活性。其中,氮化钛负载的钴钼催化剂Co-Mo-N/TiN,钴钼金属的原料比例为nCo:nMo=1:1时,热处理温度为650℃得到的催化剂在酸性介质中的氧还原活性为最佳,氧还原的起始电位为0.372 V(vs.SCE),极限电流密度达2.215 mA·cm-2。此外,在相同的条件下比较了以导电炭黑(Vulcan XC-72)和纳米氮化钛为载体的催化剂的氧还原活性,得到以TiN为载体的Co-Mo-N/TiN在酸性条件下的活性更好。为进一步研究Co-Mo-N/TiN催化剂的稳定性,在80℃的0.5 mol·L-1H2SO4溶液中浸泡催化剂24h后测试了其氧还原的活性,结果显示,酸处理后的催化剂仍保持了良好的氧还原活性且稳定性良好。通过HRTEM测试可知Co-Mo-N在载体上的分布均匀,结合XRD和EDS分析,得到Co-Mo-N/TiN催化剂的主要组成为Co2N、Mo N和TiN,由于载体TiN与金属氮化物Co2N、Mo N间的协同作用,使得催化剂Co-Mo-N/TiN表现出优越于Co-Mo-N的氧还原性能。采用与Co-Mo-N/TiN催化剂相同的方法,制备了氮化钛负载铁钼催化剂Fe-Mo-N/TiN,并研究催化剂的氧还原活性。经EDS测试催化剂中的Fe、Mo含量较低,结合XRD与HRTEM分析,得到Fe-Mo-N/TiN催化剂的主要组成为Fe8N、Fe2O3、Mo5N6、Mo O3和TiN。氧还原活性测试结果显示,铁钼金属比例为nFe:nMo=2:1,金属负载量为10%,热处理温度为700℃,制备的催化剂的氧还原活性为最好,起始电位为0.445 V(vs.SCE),极限电流密度达2.898 mA·cm-2,氧还原的电子转移数为3.12,说明该样品上的氧还原反应主要是按四电子的路径进行的。
【关键词】：氮化钛 非贵金属 氧还原
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 前言11-12
• 1.2 燃料电池简介12-13
• 1.3 质子交换膜燃料电池简介13-16
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池的国内外研究进展13-14
• 1.3.2 质子交换膜燃料电池的工作原理14-15
• 1.3.3 质子交换膜燃料电池的结构15-16
• 1.4 质子交换膜燃料电池阴极催化剂16-24
• 1.4.1 阴极催化剂体系16-21
• 1.4.1.1 碳载铂及铂基合金催化剂16-18
• 1.4.1.2 含氮碳载过渡金属催化剂18-19
• 1.4.1.3 过渡金属硫化物催化剂19-20
• 1.4.1.4 过渡金属氧化物催化剂20-21
• 1.4.2 阴极氧还原反应机理21-24
• 1.5 氮化钛载体24-25
• 1.6 本论文的研究目的、意义及内容25-27
• 1.6.1 研究目的和意义25-26
• 1.6.2 研究内容26
• 1.6.3 论文创新点26-27
• 第二章 实验部分27-32
• 2.1 实验试剂、材料及仪器27-28
• 2.1.1 主要实验试剂与材料27-28
• 2.1.2 主要实验仪器28
• 2.2 催化剂的制备28-29
• 2.2.1 氮化钛负载钴钼催化剂28-29
• 2.2.2 氮化钛负载铁钼催化剂29
• 2.3 催化剂的物理表征29-30
• 2.3.1 X射线衍射分析29
• 2.3.2 X射线能谱分析29
• 2.3.3 透射电子显微镜测试29-30
• 2.3.4 选区电子衍射30
• 2.3.5 比表面积测试30
• 2.4 催化剂的氧还原活性测试30-32
• 2.4.1 工作电极的制备30-31
• 2.4.2 电化学测试方法31-32
• 2.4.2.1 循环伏安法31
• 2.4.2.2 线性伏安法31
• 2.4.2.3 旋转圆盘电极测试31-32
• 第三章 氮化钛负载钴钼催化剂的制备与性能研究32-59
• 3.1 引言32
• 3.2 实验部分32-34
• 3.2.1 制备流程图32-33
• 3.2.2 不同载体制备Co-Mo-N催化剂33
• 3.2.3 不同钴钼配比制备Co-Mo-N催化剂33
• 3.2.4 不同热处理温度制备Co-Mo-N催化剂33-34
• 3.2.5 酸处理Co-Mo-N催化剂34
• 3.3 载体对钴钼催化剂的性能影响34-38
• 3.3.1 X射线衍射分析34-35
• 3.3.2 氧还原活性测试35-38
• 3.4 钴钼配比对氮化钛负载钴钼催化剂的性能影响38-42
• 3.4.1 X射线衍射分析38
• 3.4.2 X射线能谱分析38-39
• 3.4.3 氧还原活性测试39-42
• 3.5 热处理温度对氮化钛负载钴钼催化剂的性能影响42-49
• 3.5.1 比表面积及孔结构分析42-43
• 3.5.2 X射线衍射分析43
• 3.5.3 X射线能谱分析43-44
• 3.5.4 透射电子显微镜测试44-45
• 3.5.5 氧还原活性测试45-49
• 3.6 酸处理对氮化钛负载钴钼催化剂的性能影响49-57
• 3.6.1 比表面积及孔结构分析49-50
• 3.6.2 X射线衍射分析50-51
• 3.6.3 X射线能谱分析51-52
• 3.6.4 透射电子显微镜测试52-53
• 3.6.5 氧还原活性测试53-57
• 3.7 本章小结57-59
• 第四章 氮化钛负载铁钼催化剂的制备与性能研究59-76
• 4.1 引言59
• 4.2 实验部分59-60
• 4.2.1 制备流程图59
• 4.2.2 不同铁钼配比制备Fe-Mo-N催化剂59-60
• 4.2.3 不同热处理温度制备Fe-Mo-N催化剂60
• 4.2.4 不同铁钼负载量Fe-Mo-N催化剂的制备60
• 4.3 铁钼配比对氮化钛负载铁钼催化剂的性能影响60-64
• 4.3.1 X射线能谱分析60-61
• 4.3.2 X射线衍射分析61
• 4.3.3 氧还原活性测试61-64
• 4.4 热处理温度对氮化钛负载铁钼催化剂的性能影响64-69
• 4.4.1 X射线衍射分析65
• 4.4.2 比表面积测试65-66
• 4.4.3 X射线能谱分析66
• 4.4.4 透射电子显微镜测试66-68
• 4.4.5 氧还原活性测试68-69
• 4.5 负载量对氮化钛负载铁钼催化剂的性能影响69-74
• 4.5.1 X射线衍射分析69-70
• 4.5.2 比表面积及孔结构分析70-71
• 4.5.3 氧还原活性测试71-74
• 4.6 本章小结74-76
• 总结与展望76-78
• 参考文献78-87
• 攻读硕士学位期间所发表的论文87-88
• 致谢88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 李建秋;方川;徐梁飞;;燃料电池汽车研究现状及发展[J];汽车安全与节能学报;2014年01期

2 冯小保;黄明宇;问朋朋;贾中实;倪红军;;燃料电池车及车用燃料电池的发展现状及展望[J];化工新型材料;2013年01期

3 陈清泉;;电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的发展前景(英文)[J];汽车安全与节能学报;2011年01期

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本文编号：551611