新型碳催化剂载体的研究及其在燃料电池中的应用

发布时间：2017-10-17 03:16

  本文关键词：新型碳催化剂载体的研究及其在燃料电池中的应用

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【摘要】：燃料电池已被公认为是一种很有发展前途的能源设备,被广泛应用于日常车辆运输和便携式电子装置,因为它们可以直接将燃料的化学能量转换成电能,且无能量相互转换的损耗,较少的污染物排放等优点。铂(Pt)是燃料电池系统中使用最为广泛的催化剂,其催化效率很高。然而,纯铂易受到醇类燃料电池的中间产物一氧化碳的影响而中毒,降低了铂的使用年限。因此,甲醇燃料电池的成本昂贵,这是其不能得到广泛应用的最主要的原因。因此,寻求低成本或是取代铂金属的催化剂成为研究的热点。本文通过采用新型的碳载体替代商业Pt/C的碳黑载体,以期得到催化活性高,稳定性好,耐腐蚀性强及成本低的新型贵金属催化剂。1.通过盐酸多巴胺在含有氯铂酸溶液中聚合,聚多巴胺的结构类似石墨烯,其可在自聚合过程中包覆贵金属Pt单质。通过控制搅拌速度和温度来控制合成颗粒的大小,然后在氮气保护下高温处理,形成新型催化剂Pt@CN。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线光子能谱(XPS)等技术研究了其形貌结构特征,并采用一系列的电化学测定方案对新型材料在硫酸溶液中和甲醇燃料电池中的应用进行检测。最终合成的Pt@CN催化剂具有较好的氧化还原(ORR)能力,其稳定性及抗中毒能力与商业Pt/C的相比也有所提高。2.合成了一种含氮量高、多孔有机金属沸石咪唑框架材料(ZIF-90),高温处理ZIF-90,并采用X光电子能谱仪(XPS)分析、扫描电子显微镜(SEM)等技术对该碳材料的形貌特点进行了表征。沉积法得到Pt/CN催化剂。高温处理后的ZIF-90材料成块状结构,且含氮比例较高。并使用循环伏安法(CV)、计时电流法(CA)和旋转圆盘电极(RED)对Pt/CN在甲醇燃料电池中的催化活性进行评价,电化学测试表明,合成的催化剂材料和商业Pt/C相比具有更高的氧化甲醇能力、更好的氧化还原活性(ORR)和稳定性。3.再者,合成了多孔有机金属框架结构ZIF-90,减少Pt铂量,制备高含氮量的Pt/CN材料,并掺杂入B、P,得到四种Pt-carbon阳极催化剂,分别为Pt/CN,Pt/CNB,Pt/CNP,Pt/CNBP。通过电化学表征等技术对该四种催化剂结构和性能进行了测定,实验结果表明,随着掺杂元素的不同,表现出不同的催化特性,特别是当B和P共同掺杂时,甲醇氧化的电流密度比商业Pt/C高2.1倍,且稳定性更佳。4.最后,基于1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和1-乙基-3-甲基咪唑六氟硼酸盐两种离子液体中分别含有N、P和N、B等元素。因此,本章将离子液体经惰性气体保护下高温处理的形成含有N、P或N、B的碳材料作为铂基催化剂的碳载体,并经过XPS、电化学等技术对该催化剂进行了表征。实验结果表明,新型载体对提高甲醇的催化有一定的促进作用。
【关键词】：甲醇燃料电池 氧化还原反应 聚多巴胺 ZIF-90 Pt/C催化剂
【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 前言10-11
• 1.2 燃料电池11-14
• 1.2.1 燃料电池的工作原理11-12
• 1.2.2 燃料电池的种类12-14
• 1.3 直接甲醇燃料电池（DMFCs）14-16
• 1.3.1 直接甲醇燃料电池（DMFCs）的工作原理14-15
• 1.3.2 直接甲醇燃料电池的优点及缺陷15-16
• 1.3.3 直接甲醇燃料电池（DMFCs）的发展趋势16
• 1.4 电极和电催化剂16-18
• 1.4.1 阳极16-17
• 1.4.2 阴极催化剂17-18
• 1.5 非贵金属催化剂18-23
• 1.5.1 碳载体的影响18-20
• 1.5.2 含过渡金属催化剂20-21
• 1.5.3 氮源对催化剂的影响21-22
• 1.5.4 热处理对非贵金属催化剂的影响22-23
• 1.5.5 其他非金属催化剂23
• 1.6 本论文的研究背景、意义及内容23-25
• 1.6.1 研究的背景和意义23
• 1.6.2 研究内容23-25
• 第二章 聚多巴胺包覆铂单质纳米材料的制备及其电化学性能的表征25-35
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验部分26-28
• 2.2.1 实验试剂26-27
• 2.2.2 实验过程27
• 2.2.3 结构表征27
• 2.2.4 电化学表征27-28
• 2.3 结果与讨论28-34
• 2.3.1 Pt@CN的形貌表征28
• 2.3.2 Pt@CN催化材料的XPS表征分析28-29
• 2.3.3 Pt@CN与商业Pt/C的电化学性能的表征及其对比29-34
• 2.4 结论34-35
• 第三章 新型碳载贵金属催化剂Pt/CN的制备及其电化学性能的研究35-46
• 3.1 引言35-36
• 3.2 实验部分36-38
• 3.2.1 实验试剂36-37
• 3.2.2 实验过程37
• 3.2.3 结构表征37-38
• 3.2.4 电化学测试38
• 3.3 结果与讨论38-45
• 3.3.1 ZIF-90 和Pt/CN催化剂的形貌表征38-39
• 3.3.2 ZIF-90 热处理前后的红外表征39
• 3.3.3 ZIF-90 热处理后的碳化物XPS表征分析39-40
• 3.3.4 Pt/CN电化学性能的表征40-45
• 3.4 结论45-46
• 第四章B、P的掺杂对新型Pt-carbon类材料催化性能的影响46-55
• 4.1 引言46-47
• 4.2 实验部分47-48
• 4.2.1 实验试剂47-48
• 4.2.2 实验过程48
• 4.2.3 结构表征48
• 4.2.4 电化学表征48
• 4.3 结果与讨论48-53
• 4.3.1 样品形貌表征48
• 4.3.2 XPS表征48-49
• 4.3.3 样品电催化活性的表征49-50
• 4.3.4 样品的氧化还原反应（ORR）的表征50-51
• 4.3.5 温度依赖性和活化能（Ea）的研究51-53
• 4.3.6 样品催化稳定性的研究53
• 4.4 结论53-55
• 第五章 硼酸盐或磷酸盐离子液体作为碳载体材料在电化学方面的应用55-62
• 5.1 引言55
• 5.2 实验部分55-57
• 5.2.1 实验试剂55-56
• 5.2.2 实验过程56-57
• 5.2.3 结构表征57
• 5.2.4 电化学表征57
• 5.3 结果与讨论57-61
• 5.3.1 XPS表征57-58
• 5.3.2 样品电催化活性的表征58-60
• 5.3.3 样品催化稳定性的研究60-61
• 5.4 结论61-62
• 第六章 总结62-63
• 参考文献63-69
• 个人简历 在读期间发表的学术论文69-70
• 致谢70

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本文编号：1046480