碳纳米纤维负载铁钴镍材料的制备及其氧还原催化性能

发布时间：2017-09-29 05:04

  本文关键词：碳纳米纤维负载铁钴镍材料的制备及其氧还原催化性能

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【摘要】：贵金属铂广泛应用于燃料电池的阴极氧还原催化剂,但由于其全球储量有限,并且容易因中毒而失活,严重阻碍了燃料电池的发展。研究表明,在碱性电解液中,许多氮掺杂碳材料和过渡金属的复合物具有与较好的氧还原催化活性和稳定性,但在酸性介质中的氧还原催化活性并不理想。本文通过静电纺丝法,结合浸渍法和在NH3中高温处理,制备出PAN基碳纳米纤维负载金属催化剂。采用TEM、SEM、XPS、Raman和XRD等表征方法对负载金属的碳纳米纤维的表面形貌、结构和成分等方面进行了系统的测试;采用循环伏安法、电流-时间曲线和旋转圆盘电极法对负载金属碳纳米纤维在酸性介质中的氧还原催化活性进行了研究。通过对负载Fe/Co比例为1:1,不同Fe/Co负载量碳纳米纤维的研究发现,负载量为1%和2%的碳纳米纤维的表面出现了二次生长的碳纳米管结构,且负载量为1%的样品表面的碳纳米管结构呈竹节状,而负载量为2%的样品表面的碳纳米管比较光滑,且直径较小,这种碳纳米管结构提高了催化剂的稳定性;当热处理气氛换成氮气或改变热处理碳化温度时,碳纳米纤维表面没有出现明显的碳纳米管结构;负载Fe/Co比例为1:3或3:1时,碳纳米纤维表面只有碳包覆金属的短棒状结构。经电化学测试,负载金属碳纳米纤维的氧还原催化活性比纯碳纳米纤维催化剂高,负载量为2%时,负载Fe/Co双金属的碳纳米纤维在酸性介质中的氧还原电位为0.50 V,其稳定性远比负载单金属的好;Fe/Co比例则对碳纳米纤维的氧还原催化活性影响不大,而热处理温度则有较大影响,经900℃碳化的碳纳米纤维氧还原峰电位为0.62 V,超过了商业用的Pt/C催化剂。引入第三种过渡金属Ni,研究发现,Fe/Co/Ni为1:1:1时,不同Fe/Co/Ni负载量的碳纤维表面没有生长出碳纳米管结构,但随着金属负载量的增加,NH3对碳纳米纤维的刻蚀作用明显加剧,纤维表面出现了更多的孔缺陷,断裂现象严重。此外,当负载量超过0.5%时,其氧还原催化活性开始下降。负载量为0.5%时,改变金属Fe/Co/Ni的比例,对碳纳米纤维负载三元金属催化剂的表面形貌结构影响不大。经电化学测试,负载Fe/Co/Ni碳纳米纤维在酸性的介质中都表现出良好的氧还原催化活性,其中,负载Fe/Co/Ni比例为4:2:1的样品其氧还原催化活性最高,氧还原峰电位为0.61 V。
【关键词】：氮掺杂碳纳米纤维 静电纺丝 过渡金属 负载型催化剂 氧还原催化活性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题背景及研究目的和意义9-10
• 1.2 燃料电池阴极氧还原机理10-11
• 1.3 燃料电池催化剂研究现状11-16
• 1.3.1 燃料电池阴极氧还原催化剂发展方向11
• 1.3.2 铂基催化剂11-13
• 1.3.3 非贵金属催化剂13-16
• 1.4 本文的研究内容16
• 1.5 本文的创新性16-17
• 第2章 实验方法17-23
• 2.1 实验材料及设备17-18
• 2.1.1 实验材料17
• 2.1.2 实验仪器及设备17-18
• 2.2 催化剂的制备18-19
• 2.3 催化剂的物理表征19-20
• 2.3.1 扫描电子显微镜19
• 2.3.2 透射电子显微镜19
• 2.3.3 X射线光电子能谱19-20
• 2.3.4 拉曼光谱20
• 2.3.5 X射线衍射谱20
• 2.4 催化剂的电化学测试20-23
• 2.4.1 循环伏安法20-21
• 2.4.2 旋转圆盘电极法21-22
• 2.4.3 催化剂稳定性能的测试22-23
• 第3章 Fe-Co/NCNFs的制备及其催化氧还原性能研究23-54
• 3.1 引言23
• 3.2 不同负载量Fe-Co/NCNFs的制备及其催化氧还原性能23-31
• 3.2.1 负载量对Fe-Co/NCNFs形貌结构的影响23-28
• 3.2.2 负载量对Fe-Co/NCNFs物相和成分的影响28-29
• 3.2.3 负载量对Fe-Co/NCNFs催化氧还原性能的影响29-31
• 3.3 不同Fe/Co比Fe-Co/NCNFs的制备及其催化氧还原性能31-43
• 3.3.1 Fe/Co比对Fe-Co/NCNFs形貌结构的影响31-37
• 3.3.2 Fe/Co比对Fe-Co/NCNFs的物相及成分的影响37-40
• 3.3.3 Fe/Co比对Fe-Co/NCNFs催化氧还原性能的影响40-43
• 3.4 不同温度碳化Fe-Co/NCNFs制备及其氧还原催化性能43-52
• 3.4.1 碳化温度对Fe-Co/NCNFs形貌结构的影响43-46
• 3.4.2 碳化温度对Fe-Co/NCNFs物相及成分的影响46-49
• 3.4.3 碳化温度对Fe-Co/NCNFs催化氧还原性能的影响49-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第4章 Fe-Co-Ni/NCNFs的制备及其催化氧还原性能54-74
• 4.1 引言54
• 4.2 不同负载量Fe-Co-Ni/NCNFs的制备及其催化氧还原性能54-63
• 4.2.1 负载量对Fe-Co-Ni/NCNFs形貌结构的影响54-58
• 4.2.2 负载量对Fe-Co-Ni/NCNFs的物相及成分的影响58-61
• 4.2.3 负载量对Fe-Co-Ni/NCNFs催化氧还原性能的影响61-63
• 4.3 不同Fe/Co/Ni比Fe-Co-Ni/NCNFs的制备及其催化氧还原性能63-72
• 4.3.1 Fe/Co/Ni比对Fe-Co-Ni/NCNFs形貌结构的影响63-66
• 4.3.2 Fe/Co/Ni比对Fe-Co-Ni/NCNFs的物相及成分的影响66-69
• 4.3.3 Fe/Co/Ni比对Fe-Co-Ni/NCNFs催化氧还原性能的影响69-72
• 4.4 本章小结72-74
• 结论74-75
• 参考文献75-83
• 致谢83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：940093