碱性直接甲醇燃料电池阳极镍磷复合催化剂的研究

发布时间：2017-03-19 20:03

  本文关键词：碱性直接甲醇燃料电池阳极镍磷复合催化剂的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于过渡金属磷化物材料具有价格低廉、电化学活性高、储量丰富、易于制备等优点,被广泛研究,尤其在直接甲醇燃料电池阳极催化剂材料领域吸引了研究人员的大量目光。本论文以镍磷复合催化剂(Ni-P)材料为研究对象,提出多种简易可控的制备方法,包括海绵模板法、化学镀法、化学浴沉积法、水-DMF溶剂热法。通过对催化剂材料的多孔化、纳米化和复合化的设计,制备并分析了镍磷复合催化剂材料的形貌、结构和组成及其对电催化氧化甲醇性能的影响规律。结合海绵模板法和化学镀法,采用两步法制得NiO/Ni-P复合催化剂。调控化学镀时间,将非晶态的Ni-P合金镀在清洁海绵上得到不同结构的前驱体,再将前驱体放入马弗炉中,在空气气氛下500℃热处理得到以晶态镍磷合金空心管为支架,不同形貌NiO(纳米颗粒、纳米薄片)为二级结构的复合催化剂。研究发现化学镀时间对表面NiO二级结构的形貌调控具有显著作用。经测试,以NiO纳米颗粒为二级结构的NiO/Ni-P复合催化剂含有16.2wt.%的Ni-P和83.8wt.%的NiO,具有最大的比表面积(210.03m2g-1),最高的电催化氧化甲醇峰电流密度(～467Ag-1)和最好的催化稳定性(≥20000 s)。采用水-DMF溶剂热法,以次亚磷酸钠为还原剂和磷源,通过调控反应物中镍源和磷源的摩尔比合成了三种三维Ni-P-O复合催化剂：星形胶质细胞网络状Ni-P (Ni-Pan)、蚕茧状Ni-P (Ni-Psc)和微球状Ni-P (Ni-Pm)。其中由直径约4 nm的非晶态纳米线组装而成的星形胶质细胞网络状Ni-Pan催化剂,表现出最大的比表面积(500.5 m2 g-1)。在碱性介质中,Ni-Pan的电催化甲醇氧化峰的电流密度可达1490 Ag-1。采用水-DMF溶剂热法,以次亚磷酸钠为还原剂和磷源,通过调控反应体系中CoCl2·6H2O和NiCl2·6H2O的摩尔比,合成了四种Ni-Co-P-O复合纳米催化剂材料。其中,由纳米线自组装而成的海胆结构NiCoPO-2具有最大的比表面积(540.5 m2 g-1)及多级孔结构。在碱性介质中经电化学性能测试,发现NiCoPO-2的电催化甲醇氧化峰电流的密度可达1567Ag-1。通过上述的结构和成份设计,三种催化剂均具有多孔纳米结构,极大地提高了催化剂的比表面积,从而增加催化剂与电解液的接触面和反应的活性位点,有效提高了材料的电催化甲醇氧化活性；结构和成份的复合化则使材料具有更好的电极易接近性、更快的电荷转移和更好的长期稳定性(≥20000s)。
【关键词】：镍磷复合材料 直接甲醇燃料电池 多孔化 纳米化 复合化 海绵模板法 化学镀法 水-DMF溶剂热法 化学浴沉积法
【学位授予单位】：浙江大学
【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
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 燃料电池简介11-14
• 1.1.1 燃料电池的发展背景11-12
• 1.1.2 燃料电池的特点及分类12-13
• 1.1.3 燃料电池的用途13-14
• 1.2 直接甲醇燃料电池简介14-17
• 1.2.1 直接甲醇燃料电池的结构15
• 1.2.2 直接甲醇燃料电池的工作原理15-17
• 1.2.3 直接甲醇燃料电池面临的主要问题17
• 1.3 直接甲醇燃料电池催化剂的制备方法17-20
• 1.3.1 模板法17-18
• 1.3.2 化学镀法18
• 1.3.3 溶剂热法18-19
• 1.3.4 去合金化法19
• 1.3.5 溶胶-凝胶法19-20
• 1.3.6 其他方法20
• 1.4 镍基材料简介20-21
• 1.5 直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究进展和面临的挑战21-25
• 1.5.1 直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究进展21-24
• 1.5.2 直接甲醇燃料电池阳极催化剂材料面临的挑战24-25
• 1.6 本文的研究思路和研究内容25-27
• 第二章 实验方法和设备27-31
• 2.1 实验试剂和设备27-28
• 2.1.1 化学试剂27-28
• 2.1.2 仪器和设备28
• 2.2 材料表征方法28-29
• 2.2.1 X射线衍射分析(XRD)28
• 2.2.2 扫描电子显微分析(SEM)28
• 2.2.3 透射电子显微分析(TEM)28-29
• 2.2.4 X射线光电子能谱分析(XPS)29
• 2.2.5 比表面积(BET)及孔径分布分析29
• 2.2.6 傅里叶红外光谱(FTIR)分析29
• 2.3 电化学性能测试29-31
• 2.3.1 电催化氧化甲醇电极的制备及测试条件29
• 2.3.2 循环伏安测试(CV)29
• 2.3.3 计时电流测试29-30
• 2.3.4 电化学阻抗谱测试(EIS)30-31
• 第三章 NiO/Ni-P复合物的制备及其电催化氧化甲醇性能31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 NiO/Ni-P复合物制备31-32
• 3.2.1 两步法制备NiO/Ni-P复合材料31-32
• 3.2.2 化学浴沉积法制备NiO32
• 3.3 结构、成分及形貌分析32-40
• 3.4 NiO/Ni-P复合物电催化氧化甲醇性能分析40-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第四章 三维多孔Ni-P-O复合物的电催化氧化甲醇性能45-59
• 4.1 引言45-46
• 4.2 材料制备46
• 4.3 结构、成分及形貌分析46-54
• 4.4 Ni-P-O复合物的电催化氧化甲醇性能分析54-57
• 4.5 本章小结57-59
• 第五章 海胆状Ni-Co-P-O复合物的电催化氧化甲醇性能59-71
• 5.1 引言59
• 5.2 材料制备59-60
• 5.3 结构、成分及形貌分析60-66
• 5.4 Ni-Co-P-O复合材料的电催化氧化甲醇性能分析66-70
• 5.5 本章小结70-71
• 第六章 结论71-73
• 参考文献73-87
• 致谢87-88
• 个人简历88-89
• 攻读研究生期间发表的论文与取得的其他研究成果89-90

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