含催化活性成分碳材料的制备及其应用

发布时间：2020-10-12 16:17

　　 随着全球人口迅速增长以及科技日益进步,传统能源在全球范围内正面临着严重短缺的境况。因此,发展清洁可再生能源是目前解决能源问题的有效途径。燃料电池和氢能开发作为21世纪最理想的两种新能源技术,其发展的前景十分光明。在众多的燃料中,乙醇作为一种可由农副产品通过发酵提炼而成,其安全性好、可逆能量效率高,一度被看作是燃料电池的理想原料。但其电化学氧化反应过程的中间产物多,功率密度低,再加上其电极催化材料价格昂贵、利用率低,限制了该技术的推广。氢能是一种可再生的绿色能源,碱性电解水制氢效率最高,其副产物少,环保无污染深受广泛的认可。但该技术面临着一个严重的技术难点:难以有效的降低电解水在阳极的析氧过电位,为解决上述的技术难题,研究一系列能降低电解水和燃料电池阳极析氧过电位的催化剂成为了电化学领域的研究热点。本文以新型微孔碳材料为主体,分别对碳材料进行定量负载贵金属Pd,对主体碳材料进行表面掺磷改性,以及对主体碳材料进行表面修饰NiCo_2O_4,从而研究改良后的催化材料在电解水或直接乙醇燃料电池中的阳极析氧性能。主要研究内容如下:(1)利用常压回流合成法和控温退火操作合成了具有氮、硫掺杂的微孔材料Ni-NSC。通过NaBH4还原法定量负载贵金属Pd,形成Pd/Ni-NSC复合材料。在乙醇电催化氧化的测试中,我们发现该材料与商业Pd/C相比,展示出较低的起峰电位以及较高的峰电流密度。在-0.3 V电压下工作30 min后,其剩余电流密度比商业Pd/C的数值高,表明Pd/Ni-NSC材料是一种具有高催化活性、强稳定性的乙醇燃料催化材料。(2)利用水热合成法,合成出具有Mn、Co元素的圆球状类沸石结构的材料ZIF-Mn-Co,通过控温退火操作合成出微孔材料Mn-Co-NC。然后利用次亚磷酸钠控温还原的方法制备了 Mn-Co-NC@P。发现当掺磷时间为6 h的时候,该材料的阳极析氧电催化活性为最佳,并且拥有较低的初始起峰电位以及较高的峰电流密度数值。在0.7 V的电位下工作8 h后,Mn-Co-NC@P的剩余电流密度比商业Pt/C的高。Mn-Co-NC@P的良好电催化性能归因于Mn-Co-NC掺入的磷原子,而磷是一种电负性较强的非金属,能有效地吸引Mn~(4+)和Co~(4+)离子的生成,从而增加了该材料的活性中心位点,提高了催化活性以及稳定性。(3)利用水热法合成十二面体结构的ZIF-67,通过控温退火操作对ZIF-67进行碳化处理,然后再利用水热法,在其碳材料上修饰NiCo_2O_4,形成NiCo_2O_4/NC。在阳极吸氧性能测试中,我们发现了 NiCo_2O_4/NC的催化活性较商业Pt/C高,并且其拥有较低的起峰电位和较高的峰值电流密度。此研究有效地降低阳极析氧电催化对贵金属催化剂Pt/C的使用,而且NiCo_2O_4/NC具有制备简单方便、成本低廉,在碱性电解水领域具有较好的应用前景。
【学位单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11;TM911.4
【部分图文】：

电解水制氢示意图

氢氧燃料电池工作原理图

图 1-3乙醇在贵金属电极上电催化氧化机理ure1-3Themechanism forelectrocatalyticoxidationofethanolonental
【参考文献】

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本文编号：2838001