基于高分子负载非贵金属构建燃料电池氧还原催化剂的研究

发布时间：2017-12-05 13:12

  本文关键词：基于高分子负载非贵金属构建燃料电池氧还原催化剂的研究

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【摘要】：质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)作为燃料电池的代表,能够有效地将化学能转化为电能,因其具能量转换效率高,功率密度高,启动快,零排放等特点,被认为是非常有希望的移动能源装置。质子交换膜燃料电池进一步发展也面临突出的问题:代价高、活性低和耐久性差,其主要瓶颈在于其所使用催化剂的贵金属含量高,耐久性差。在PEMFC工作过程中,大量的Pt及其合金应用于催化氢气氧化或其它液态燃料的氧化反应和催化氧气还原的还原反应(ORR)。目前,尽管Pt基ORR催化剂的成本高、活性低和耐久性不足等增加了PEMFC的代价,Pt基ORR催化剂仍然在催化剂材料中占据主要地位。因此,研究制备出活性和稳定性高的非贵金属ORR催化剂对于PEMFC的商业化应用是至关重要的。本论文立意于制备出高活性和高稳定性的非贵金属ORR催化剂,以替代Pt基催化剂,从而达到大大降低PEMFC成本的目的。提出的两种基于非贵金属构建高活性高稳定性的ORR催化剂的制备方法,能够使用非贵金属替代贵金属的同时获得同等或者更优的性能。并在构建高分子负载非贵金属制备氧还原催化剂的方面开展研究,包括以下四个部分:1、对PEMFC的非贵金属催化剂的研究进展进行综述,着重介绍了构建非贵金属催化剂前驱体的组成部分:碳载体、过渡金属、含氮高分子。然后确定了我们基于非贵金属制备ORR催化剂的研究方案。2、说明实验需要用到的仪器和药品,以及所用到的大型仪器,并简要介绍了必要的准备实验,比如对已购买原材料的预处理。3、使用流动性能较好的丙烯腈调聚物(ANT)为前驱体制备N和S双掺杂的Co/ANT/C的催化剂。以商用炭黑为载体负载ANT和Co盐,通过低温预氧化和高温热解三者的混合物的方法一步合成材料。这样增大了ANT和过渡金属前驱体之间接触面积,从而提升ORR活性。值得注意的是,相比于高分子量的PAN,通过使用ANT作为前驱体,得到的催化剂材料展示出优异的ORR性能的提升,如在起始电位和极限电流密度上。此外,所制备的Co/ANT/C催化剂在高载量的条件下表现出与商业Pt/C接近的催化活性。电化学数据还表明Co/ANT/C直接参与4电子过程直接促进O2还原为OH-,并且具备长期的稳定性能。由于优异的催化性能和较低的成本,Co/ANT/C具有广泛应用在质子交换膜燃料电池的潜能。4、以BSA为前驱体替代丙烯腈的使用,我们探索出一种合成ORR催化剂的新路径。使用价格低且无毒的BSA作为N和S的共同掺杂前驱体,以商用炭黑为载体、复合Fe的金属盐,通过一步掺杂程序制备出N和S双掺杂的非贵金属的催化剂。该合成方法具有操作简单,环境友好等优点。该方法合成的新型催化剂Fe/BSA/C在碱性环境下的ORR活性与商业Pt/C催化剂具有可比性,而且稳定性也要比商业Pt/C较优。这归功于BSA炭化以后形成的结构:相对较高的吡啶-N含量和石墨化程度高的碳层。基于Fe/BSA/C杰出的ORR催化性能和稳定性,而且制作工艺清洁环保,我们合成的催化剂能在PEMFC中的直接用作阴极ORR催化剂材料。据我们了解,使用BSA作为掺杂剂设计一步法合成N和S双掺杂的应用于ORR催化剂的碳材料还从未被报道过。这项工作将会引起更多关于使用BSA作为碳前驱体制备各种各样的碳材料的研究。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4

【参考文献】

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1 杜墨;大豆制氧还原反应催化剂的研究[D];重庆大学;2014年

2 刘萍;蛋清制氧还原反应电催化剂的研究[D];重庆大学;2013年

3 高金柱;猪血热解制氧阴极还原反应催化剂的研究[D];重庆大学;2012年

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本文编号：1254924