杂原子掺杂石墨烯制备及其在燃料电池阴极催化剂方面的应用

发布时间：2017-10-31 23:23

  本文关键词：杂原子掺杂石墨烯制备及其在燃料电池阴极催化剂方面的应用

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【摘要】：直接甲醇燃料电池(DMFCs)可以直接将化学能转化为电能,并且转换效率高,功率密度高,操作简便,被认为是一个有前途的绿色能源技术。阴极氧气还原反应的催化剂对于DMFCs是至关重要的。然而阴极Pt催化剂自身存在的动力学过程缓慢、抗交叉能力和稳定性较差以及储量有限的劣势,使直接甲醇燃料电池进一步的商业化和市场需求受到了阻碍。在本文中,我们运用了一步热解法制备了两种高效的非贵金属的杂原子掺杂石墨烯,简写为Co-NG和PSNG,作为高效的价格低廉的氧还催化剂。通过使用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射光谱(XRD)、拉曼光谱、能量色散X射线光谱(EDX)和X射线光电子能谱(XPS)对所制备的复合料进行表征。并且通过线性伏安法对两种复合材料进行电化学活性的测试。实验结果表明,合成的两种复合材料在碱性条件下对于氧还原反应具有良好的催化活性,并且具有较大的电流密度和良好的稳定性,它们的催化过程都是一步的四电子过程,可以直接将氧气还原为水。这些优越特性使两种复合材料有希望成为在碱性条件下的直接甲醇燃料电池阴极催化剂。
【关键词】：杂原子掺杂 石墨烯 氧气还原反应
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4;O643.36
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-19
• 1.1 引言8-9
• 1.2 直接甲醇燃料电池9-11
• 1.2.1 直接甲醇燃料电池的简介9
• 1.2.2 直接甲醇燃料电池的工作原理9-10
• 1.2.3 直接甲醇燃料电池的挑战和发展10
• 1.2.4 直接甲醇燃料电池阴极催化剂的研究现状10-11
• 1.3 石墨烯的概述11-13
• 1.3.1 石墨烯的结构11
• 1.3.2 石墨烯的性质11-12
• 1.3.3 石墨烯的制备方法12-13
• 1.3.4 石墨烯的应用13
• 1.4 杂原子掺杂碳材料的概述13-17
• 1.4.1 杂原子掺杂碳材料的制备14-16
• 1.4.2 杂原子掺杂碳材料的应用16-17
• 1.5 本课题的研究目的及内容17-19
• 第二章 实验材料与表征方法19-24
• 2.1 实验部分19-21
• 2.1.1 实验试剂19-20
• 2.1.2 实验仪器20-21
• 2.1.3 实验所需溶液的制备21
• 2.1.4 工作电极的制备21
• 2.2 实验表征方法21-24
• 2.2.1 透射电子电镜21
• 2.2.2 场发射扫描电子显微镜21
• 2.2.3 X射线衍射仪21-22
• 2.2.4 拉曼光谱22
• 2.2.5 X射线光电子能谱22
• 2.2.6 电化学表征22-24
• 2.2.6.1 线性扫描伏安法测试（LSV）22
• 2.2.6.2 旋转环盘电极测试 （RRDE）22-23
• 2.2.6.3 安培计时电流法（i t）23
• 2.2.6.4 抗甲醇测试23-24
• 第三章金属钴/氮化钴/氮掺杂石墨烯对氧气还原催化性能的研究24-39
• 引言24
• 3.1 催化剂材料的制备24-25
• 3.1.1 氧化石墨烯（GO）的制备24-25
• 3.1.2 复合物（Co NG）的制备25
• 3.2 结果与讨论25-38
• 3.2.1 Co NG复合物的形貌表征25-27
• 3.2.1.1 Co NG的TEM表征25-27
• 3.2.2. Co NG复合物的结构表征27-31
• 3.2.2.1 Co NG的XRD表征27
• 3.2.2.2 拉曼光谱表征27-28
• 3.2.2.3 X射线光电子能谱表征28-31
• 3.2.3 电化学测试31-38
• 3.2.3.1 线性扫描伏安法测试31-33
• 3.2.3.2 Tafel分析33-35
• 3.2.3.2 旋转环盘电极测试35-36
• 3.2.3.3 稳定性测试36
• 3.2.3.4 抗甲醇测试36-38
• 3.3 小结38-39
• 第四章 三掺（N，S，P）石墨烯（PSNG）对氧气还原催化性能的研究39-55
• 引言39
• 4.1 催化剂材料的制备39-41
• 4.1.1 氧化石墨烯（GO）的制备39-40
• 4.1.2 氮/硫/磷/氧化石墨烯复合材料 （N/S/P/GO）的制备40
• 4.1.3 氮/硫/磷掺杂石墨烯的制备40-41
• 4.2 结果与讨论41-54
• 4.2.1 PSNG 1:10复合物的形貌分析41-43
• 4.2.1.1 PSNG 1:10复合物的TEM表征41-42
• 4.2.1.2 PSNG 1:10复合物的EDX表征42-43
• 4.2.2. PSNG复合物的结构表征43-46
• 4.2.2.1 PSNG的XPS表征43-45
• 4.2.2.2 PSNG的Raman表征45-46
• 4.2.3 电化学测试46-54
• 4.2.3.1 线性循环伏安扫描测试46-49
• 4.2.3.2 Tafel分析49-51
• 4.2.3.2 旋转环盘电极测试51-52
• 4.2.3.3 稳定性测试52
• 4.2.3.4 抗甲醇测试52-53
• 4.2.3.5 与其他催化剂的比较53-54
• 4.3 小结54-55
• 第五章 结论55-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-64
• 附录64

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