基于甲壳素的高性能氧还原电催化剂的制备与性能研究
发布时间：2021-10-25 21:05
氧还原反应是燃料电池、金属-空气电池等新型电化学能源器件的关键过程,其反应速率与选择性高度依赖电催化剂。目前常用的Pt金属催化剂存在价格昂贵和储量有限等缺点,因此亟待开发低成本、高性能可替代Pt金属的电催化剂。M-N/C（M=Fe,Co,Mn,N i）催化剂具有优异的氧还原性能、稳定性和耐甲醇性被认为是最有可能替代Pt的非贵金属催化剂之一。本文以富含N元素的甲壳素为前驱体,采取高温热处理甲壳素和过渡金属源（Fe/Co/Mn/Ni）制备了Fe-N/C、Co-N/C、Mn-N/C和Ni-N/C催化剂。进一步采用空气等离子体处理Fe-N/C催化剂表面构筑了含大量FeN4位点的开放式结构。深入研究了等离子体处理对Fe-N/C催化剂的形貌、结构、化学组成、催化活性以及活性位点的影响。具体研究内容如下:（1）以甲壳素为前驱体,氯化锌为造孔剂,分别选择氯化铁、氯化钴、氯化锰和氯化镍为过渡金属源,在800°C下碳化成功制备了Fe-N/C、Co-N/C、Mn-N/C和Ni-N/C催化剂。研究表明,Fe-N位点催化活性可能远大于Co-N、Mn-N和Ni-N位点,因此Fe-N/C催化性...
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 氧还原反应的研究背景与意义
1.2 氧还原反应的催化机理
1.3 碳基催化剂的研究现状
1.3.1 石墨烯基电催化剂
1.3.2 碳纳米管基电催化剂
1.3.3 生物质基电催化剂
1.4 氧还原催化剂的表/界面修饰
1.4.1 杂原子掺杂催化剂
1.4.2 本征碳缺陷
1.4.3 催化剂的比表面积
1.4.4 石墨化对催化剂的影响
1.4.5 功能化官能团修饰催化剂
1.5 等离子体的概述及原理
1.5.1 等离子体概述
1.5.2 等离子体的作用原理
1.5.3 等离子体制备电催化剂
1.6 本论文研究内容及创新点
1.6.1 本论文研究内容
1.6.2 创新点
第2章 实验内容与研究方法
2.1 实验部分
2.1.1 实验试剂
2.1.2 实验仪器
2.1.3 表征设备
2.2 催化剂的结构表征
2.2.1 元素分析仪
2.2.2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)及电子能谱(EDS)
2.2.3 透射电子显微镜(TEM)
2.2.4 X射线衍射分析(XRD)
2.2.5 拉曼光谱仪(Raman)
2.2.6 比表面积及孔径分析测试仪(BET)
2.2.7 傅立叶变换红外光谱(FT-IR)
2.2.8 X射线光电子能谱(XPS)
2.2.9 穆斯堡尔谱(Mo?ssbauer spectra)
2.3 催化剂氧还原性能测试
2.3.1 工作电极的打磨清洗
2.3.2 工作电极的制备
2.3.3 循环伏安测试(CV)
2.3.4 旋转圆盘电极(RDE)
2.3.5 旋转圆盘圆环电极(RRDE)
2.3.6 催化剂稳定性测试-恒电位法(I-t)
2.3.7 甲醇耐受性测试
第3章 高温热解法制备M-N/C(M=Fe,Co,Mn,Ni)电催化剂及其氧还原性能研究
3.1 引言
3.2 M-N/C(M=Fe,Co,Mn,Ni)催化剂的制备
3.3 催化剂的结构表征
3.3.1 预氧化过程对催化剂氮含量的影响
3.3.2 M-N/C(M=Fe,Co,Mn,Ni)催化剂的结构表征
3.3.3 酸洗时间对Fe-N/C催化剂形貌结构的影响
3.3.4 结果与讨论
3.4 催化剂的ORR性能测试
3.4.1 RDE测试过程中不同转速组的选择与讨论
3.4.2 M-N/C(M=Fe,Co,Mn,Ni)催化剂ORR性能测试与分析
3.4.3 酸洗时间对Fe-N/C催化剂ORR性能的影响
3.4.4 结果与讨论
3.5 本章小结
第4章 Fe-N/C电催化剂的等离子体制备及氧还原催化性能研究
4.1 引言
4.2 催化剂的制备
4.2.1 N/C催化剂的制备
4.2.2 Fe-N/C-t(t=30,60,120,240)催化剂的制备
4.3 Fe-N/C-t催化剂的结构表征
4.3.1 等离子体处理对Fe-N/C形貌的影响
4.3.2 等离子体处理对Fe-N/C结构的影响
4.3.3 等离子体处理对Fe-N/C组分的影响
4.3.4 结果与讨论
4.4 Fe-N/C-t催化剂的ORR性能测试与分析
4.4.1 碱性介质下Fe-N/C-t催化剂ORR性能
4.4.2 酸性介质下Fe-N/C-t催化剂ORR性能
4.4.3 结果与讨论
4.5 穆斯堡尔谱研究Fe-N/C-t活性位点及相应机理的探讨
4.5.1 Fe-N/C-t催化剂的穆斯堡尔谱分析
4.5.2 Fe-N/C-t催化剂活性位点的探讨
4.5.3 结果与讨论
4.6 本章小结
第5章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
参考文献
附录
致谢
攻读硕士学位期间的研究成果及相关经历
【参考文献】：
博士论文
[1]质子交换膜燃料电池阴极高性能碳基非贵金属氧还原催化剂的制备与研究[D]. 游诚航.华南理工大学 2015
本文编号：3458161
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 氧还原反应的研究背景与意义
1.2 氧还原反应的催化机理
1.3 碳基催化剂的研究现状
1.3.1 石墨烯基电催化剂
1.3.2 碳纳米管基电催化剂
1.3.3 生物质基电催化剂
1.4 氧还原催化剂的表/界面修饰
1.4.1 杂原子掺杂催化剂
1.4.2 本征碳缺陷
1.4.3 催化剂的比表面积
1.4.4 石墨化对催化剂的影响
1.4.5 功能化官能团修饰催化剂
1.5 等离子体的概述及原理
1.5.1 等离子体概述
1.5.2 等离子体的作用原理
1.5.3 等离子体制备电催化剂
1.6 本论文研究内容及创新点
1.6.1 本论文研究内容
1.6.2 创新点
第2章 实验内容与研究方法
2.1 实验部分
2.1.1 实验试剂
2.1.2 实验仪器
2.1.3 表征设备
2.2 催化剂的结构表征
2.2.1 元素分析仪
2.2.2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)及电子能谱(EDS)
2.2.3 透射电子显微镜(TEM)
2.2.4 X射线衍射分析(XRD)
2.2.5 拉曼光谱仪(Raman)
2.2.6 比表面积及孔径分析测试仪(BET)
2.2.7 傅立叶变换红外光谱(FT-IR)
2.2.8 X射线光电子能谱(XPS)
2.2.9 穆斯堡尔谱(Mo?ssbauer spectra)
2.3 催化剂氧还原性能测试
2.3.1 工作电极的打磨清洗
2.3.2 工作电极的制备
2.3.3 循环伏安测试(CV)
2.3.4 旋转圆盘电极(RDE)
2.3.5 旋转圆盘圆环电极(RRDE)
2.3.6 催化剂稳定性测试-恒电位法(I-t)
2.3.7 甲醇耐受性测试
第3章 高温热解法制备M-N/C(M=Fe,Co,Mn,Ni)电催化剂及其氧还原性能研究
3.1 引言
3.2 M-N/C(M=Fe,Co,Mn,Ni)催化剂的制备
3.3 催化剂的结构表征
3.3.1 预氧化过程对催化剂氮含量的影响
3.3.2 M-N/C(M=Fe,Co,Mn,Ni)催化剂的结构表征
3.3.3 酸洗时间对Fe-N/C催化剂形貌结构的影响
3.3.4 结果与讨论
3.4 催化剂的ORR性能测试
3.4.1 RDE测试过程中不同转速组的选择与讨论
3.4.2 M-N/C(M=Fe,Co,Mn,Ni)催化剂ORR性能测试与分析
3.4.3 酸洗时间对Fe-N/C催化剂ORR性能的影响
3.4.4 结果与讨论
3.5 本章小结
第4章 Fe-N/C电催化剂的等离子体制备及氧还原催化性能研究
4.1 引言
4.2 催化剂的制备
4.2.1 N/C催化剂的制备
4.2.2 Fe-N/C-t(t=30,60,120,240)催化剂的制备
4.3 Fe-N/C-t催化剂的结构表征
4.3.1 等离子体处理对Fe-N/C形貌的影响
4.3.2 等离子体处理对Fe-N/C结构的影响
4.3.3 等离子体处理对Fe-N/C组分的影响
4.3.4 结果与讨论
4.4 Fe-N/C-t催化剂的ORR性能测试与分析
4.4.1 碱性介质下Fe-N/C-t催化剂ORR性能
4.4.2 酸性介质下Fe-N/C-t催化剂ORR性能
4.4.3 结果与讨论
4.5 穆斯堡尔谱研究Fe-N/C-t活性位点及相应机理的探讨
4.5.1 Fe-N/C-t催化剂的穆斯堡尔谱分析
4.5.2 Fe-N/C-t催化剂活性位点的探讨
4.5.3 结果与讨论
4.6 本章小结
第5章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
参考文献
附录
致谢
攻读硕士学位期间的研究成果及相关经历
【参考文献】：
博士论文
[1]质子交换膜燃料电池阴极高性能碳基非贵金属氧还原催化剂的制备与研究[D]. 游诚航.华南理工大学 2015
本文编号：3458161
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/3458161.html
