卟啉基有机电催化剂的可控制备及其ORR性能研究

发布时间：2020-05-24 20:58

【摘要】：随着经济的不断发展,化石能源的短缺和环境污染成为当前社会所面临的严重问题。为了解决这些问题,研究者们尝试开发各种新型的清洁能源,其中燃料电池由于其较高的能量转换效率和绿色环保的特点引起人们的广泛关注。燃料电池的阴极催化效率远低于阳极催化剂且成本较高,是制约其大规模应用的关键因素,因此开发高效的阴极氧气还原反应(ORR)催化剂成为近些年来的研究热点~([1-3])。目前性能最好的ORR催化剂为铂基材料,因为贵金属铂的储量有限,价格高昂且易被毒化,所以ORR催化剂的研究重点在于开发高效且价格低廉的非贵金属催化剂,如碳材料、过渡金属硫族化合物和金属有机化合物ORR催化剂等,其中卟啉基大环有机化合物因为其独特的大环结构与优异的催化性能而受到人们的关注。通过改变卟啉的中心金属和分子结构,并与其它材料复合,可以进一步提高卟啉基电催化剂的性能。现有的卟啉基电催化剂主要是通过将卟啉碳化的方法来提高电催化性能,在这个过程中破坏了卟啉本身的结构,且产物的组成结构并不可控。为了解决这个问题,本论文中我们合成了吡啶基卟啉金属配位聚合物,并进一步与多壁碳纳米管复合,最终得到ORR性能优良的卟啉基有机电催化剂。具体的研究内容分为两个方面:1.TPyP-Co@MWCNTs单金属复合材料的制备及其ORR性能测试。通过溶剂热法,将四吡啶基卟啉(TPyP)与金属Co的盐类反应得到TPyP-Co金属卟啉配合物,为了改善其导电性,同时在合成的过程中引入多壁碳管,并使用超声细胞粉碎仪分散原材料,最终得到了具有核-壳结构的卟啉碳纳米管复合的纳米材料,并通过一系列的表征证明了复合材料的生成。对材料的ORR电催化性能进行测试,性能最优的样品氧气还原的电位为-0.180 V(vs.Ag/AgCl,以下相同),半波电压为-0.176 V,极限电流达到5.1 mA/cm~2,其与Pt/C相当,电子转移数为4,其稳定性能和抗甲醇干扰性能优于Pt/C催化剂。2.FeTPyP-M@MWCNTs双金属复合材料的制备及其ORR性能测试。我们选取四吡啶基铁卟啉(FeTPyP)与Co、Ni和Fe金属离子配位,使用溶剂热法得到卟啉双金属配合物@多壁碳管的复合材料。通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱和高分辨透射电子显微镜等表征手段,证明卟啉双金属配位聚合的生成。性能测试结果表明,以FeTPyP为配体,其中吡啶氮配位金属为Co时ORR性能最优,这说明卟啉分子中吡啶氮的配位金属显著影响材料的催化性能,同时金属-金属之间的协同作用也是一个不可忽略的因素。性能最优的样品氧还原电位是-0.195 V,ORR起峰电位是-0.100 V,半波电位为-0.193 V,极限电流达到5.2 mA/cm~2,转移电子数在3.7~3.9之间。经过长达10000s的循环电流降为起始电流的85.5%,该复合材料的电催化稳定性明显优于商业的Pt/C,且抗甲醇毒化性能优良。
【图文】：

图 1-1 PEMFCs 工作原理交换膜左边为阳极发生氢气氧化分解的反应，质子交换膜右边为应，最终产物为水。首先催化剂覆盖在质子交换膜表面，在催化MFCs 的阳极分解为质子，，接着这些质子在质子交换膜的作用下到

图 1-2 a：卟啉；b：卟吩；c：金属卟啉的结构示意图1.4.2 卟啉基碳化物 ORR 电催化剂近些年来，过渡金属掺杂碳材料受到了研究者们的广泛关注。金属卟啉配位聚
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ426;TM911.4

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;科技部发布2016年度中国科学十大进展[J];科学家;2017年04期

2 Rudo1f Holze,常云峰,陈金玲;作为电催化剂的炭在电化学能转化中的应用[J];新型碳材料;1987年02期

3 D.E.Brown;M.N.Mahmood;M.C.M.Man;A.K.Turner;林文修;;碱性溶液中H_2析出反应的低过电位过渡金属合金电催化剂的制备和特性[J];氯碱工业;1987年06期

4 林文修,林性如,

本文编号：2678984