燃料电池阴极金属掺杂多孔碳催化剂研究

发布时间：2017-08-23 15:07

  本文关键词：燃料电池阴极金属掺杂多孔碳催化剂研究

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【摘要】：绿色能源是社会可持续发展的关键。低温燃料电池具有能量转化率高、操作温度低、燃料丰富、环境友好等特点,是便携式电器、电动汽车等理想的电源。然而,燃料电池的性能和成本问题仍制约着其商业化进程,其中贵金属催化剂约占其成本的49%,研发高活性、高稳定性以及廉价的燃料电池阴极非贵金属电催化剂具有重要的理论意义和应用价值。本论文主要针对碱性介质中非贵金属催化剂结构不合理、活性较差的问题,从仿生及利用生物质材料角度出发,设计并制备了一系列过渡金属掺杂的多孔碳材料,采用现代谱学显微技术及电化学方法对其进行了物性表征及电化学性能测试,研究了其微观结构与催化行为之间的关系。研究工作主要包括：(1)采用简单的“一锅法”制备了仿肺三维多孔Fe-N-C高效氧还原反应(ORR)电催化剂。将SiO2微球模板与碳源、氮源、铁源直接混合,利用溶剂蒸发诱导模板自组装合成Fe-N-C前体,通过高温热解优化制备了具有三维相连通的球形介孔-大孔结构的Fe-N-C电催化剂,其孔径分布在10-100 nm之间,Fe、N、C元素均匀分布,且分析了不同热解温度对材料结构形貌的影响。该催化剂起始氧还原电位为OV(vs.Ag/AgCl),半波电位为-0.15 V (vs. Ag/AgCl),活性与商品Pt/C催化剂相当(半波电位为-0.147 V)。在-0.4 V (vs. Ag/AgCl)下进行1800s计时电流测试,电流密度仅衰减7%,优于商品Pt/C(衰减18%)。在CV法抗甲醇性能测试中,与Pt/C相比无氧化电流,抗甲醇性能优异。(2)以柑橘皮为碳源,利用其自身孔结构通过浸渍法担载Mn前体,采用高温热解法制备了橘皮碳担载的面心立方结构的MnOx电催化剂。MnOx纳米颗粒粒径为10-20nm,均匀担载于多孔橘皮碳表面。其ORR起始氧还原电位为-0.09 V (vs. Ag/AgCl),半波电位为-0.175V(vs. Ag/AgCl),与商品Pt/C催化剂接近,极限电流密度为6mA cm-2,在-0.4 V (vs. Ag/AgCl)下进行1800s计时电流测试,电流密度衰减3.3%,均优于商品Pt/C(电流衰减18%)。在CV法抗甲醇性能测试中,与Pt/C相比无氧化电流,抗甲醇性能优异。
【关键词】：燃料电池 氧还原反应 多孔碳材料 Fe-N-C催化剂 MnO_x
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ426;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-10
• 1 文献综述10-23
• 1.1 燃料电池10-12
• 1.1.1 燃料电池的发展及种类10-11
• 1.1.2 燃料电池的基本结构和工作原理11-12
• 1.2 燃料电池阴极氧还原反应12-13
• 1.3 Pt基氧还原催化剂13-14
• 1.4 非贵金属氧还原催化剂14-19
• 1.4.1 过渡金属氧化物电催化剂15
• 1.4.2 非金属掺杂碳电催化剂15-18
• 1.4.3 金属-氮掺杂碳电催化剂18-19
• 1.5 金属-氮掺杂碳电催化剂氧还原反应机理19-21
• 1.6 本论文的工作思路和主要内容21-23
• 2 实验部分23-26
• 2.1 化学试剂及材料23-24
• 2.2 电催化剂工作电极的制备24
• 2.3 电催化剂的表征与测试24-26
• 2.3.1 X-射线衍射技术24
• 2.3.2 透射电子显微镜表征24
• 2.3.3 X射线光电子能谱分析24-25
• 2.3.4 电化学测试25-26
• 3 三维多孔Fe-N-C催化剂的制备及ORR性能研究26-42
• 3.1 前言26-27
• 3.2 三维多孔Fe-N-C催化剂的制备27
• 3.3 三维多孔Fe-N-C催化剂的物性表征27-33
• 3.3.1 形貌及结构分析27-30
• 3.3.2 表面结构表征30-33
• 3.4 三维多孔Fe-N-C催化剂ORR活性与稳定性研究33-40
• 3.4.1 铁、氮含量对Fe-N-C催化剂活性影响33-35
• 3.4.2 热解温度对Fe-N-C催化剂活性影响35
• 3.4.3 三维多孔Fe-N-C催化剂ORR活性研究35-37
• 3.4.4 Fe-N-C催化剂ORR机理初步探索37-38
• 3.4.5 Fe-N-C催化剂的稳定性研究38-40
• 3.5 本章小结40-42
• 4 橘皮碳担载MnO_x电催化剂的制备及ORR性能研究42-52
• 4.1 前言42
• 4.2 橘皮碳担载MnO_x电催化剂的制备42-43
• 4.3 橘皮碳担载MnO_x电催化剂的物性表征43-45
• 4.3.1 形貌分析43-44
• 4.3.2 结构表征44-45
• 4.4 橘皮碳担载MnO_x电催化剂ORR活性及稳定性测试45-50
• 4.4.1 橘皮碳担载MnO_x电催化剂ORR活性测试45-49
• 4.4.2 橘皮碳担载MnO_x电催化剂ORR稳定性评价49-50
• 4.5 本章小结50-52
• 5 结论52-53
• 参考文献53-61
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况61-62
• 致谢62-63

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 刘松;柯强;李苗苗;;Pt/CeO_2/RGO复合材料的制备以及对乙醇的电催化性能研究[J];广东化工;2015年07期

2 朴海燕;任秀丽;孟龙月;韩顺玉;;ZnCl_2活化制备N掺杂多孔碳材料及其CO_2吸附性能研究[J];材料导报;2015年S1期

3 王旭红;纪网金;阮世栋;曹晨;陈梦s，

本文编号：725707