基于掺杂效应改善燃料电池催化剂电化学性能研究

发布时间：2018-03-03 21:38

本文选题：氧还原反应(ORR)　切入点：燃料电池　出处：《聊城大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：燃料电池,如质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池,都显示出其广泛的应用前景。氧还原反应(ORR)在燃料电池中发挥着重要的作用。目前,最好的燃料电池阴极氧还原催化剂仍主要采用商业Pt/C催化剂,但其资源稀缺、成本高和易腐蚀等缺点成为其大规模投入商业化的主要障碍。所以开发比Pt贵金属价格低廉,并且催化性能和稳定性更优异的催化剂受到了越来越多重视。本文工作主要包括以下几部分:1.以石墨烯为基底构筑1,10 Phen Co(Ⅱ)金属配合物型催化剂用于电催化氧还原反应研究我们将1,10 Phen Co(Ⅱ)金属配合物通过π π非共价作用负载到还原的氧化石墨烯(r GO)表面,合成了一种新型的氧还原(ORR)催化剂。Co(Ⅱ) N4作为金属配合物型催化剂的活性中心并且通过高效的四电子还原过程催化ORR。通过对半波峰电位(E1/2)和动力学电流密度(JK)的研究,可以看出将硝基取代基引入到1,10 phen中后,由于硝基的吸电子作用,中心Co(Ⅱ)的eg轨道能级降低有效提升了金属配合物的催化活性。考虑到r GO表面金属配合物的结构,我们提出单核钴为中心的催化机理来阐明ORR过程。与商业Pt/C催化剂相比,合成的金属配合物型催化剂用于ORR具有更高的抗甲醇性能和催化稳定性。我们的研究阐明了ORR中分子结构与催化活性之间的联系。2.热解法一步合成含MnO/Ni纳米颗粒的氮掺杂多孔碳催化剂用于电催化氧还原研究本工作中,我们将含Mn(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)离子的三聚氰胺泡沫在800℃的氮气氛围中直接热解,合成了一种含MnO/Ni纳米颗粒的枝状氮掺杂碳材料(MnO/Ni@BNCs),此催化剂为复合型催化剂。电化学测试研究发现MnO/Ni@BNCs复合型催化剂在氧还原反应(ORR)中显示出高效的四电子催化过程,并且H2O2产率较低(7.53%)。与此同时,催化剂显示出的催化稳定性和抗甲醇特性远远强于商业Pt/C。MnO/Ni@BNCs优异的催化性能归功于具有高催化活性的MnO和高电子传导率的Ni的协同作用。此外,催化剂载体高的比表面积和多孔结构特性部分继承了三聚氰胺泡沫的微结构特征,这也有助于ORR过程中的电子转移和活性反应组分的转换。3.以碲(Te)为模板制备三元Te Cu Pt合金纳米线并用于催化氧还原和甲醇氧化反应在直接甲醇燃料电池(DMFC)中,制备三元Pt基合金催化剂来提升Pt催化剂催化性能并用于氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)已经成为了一个很有前景的策略方法。我们首次报道了以碲(Te)为导向模板通过金属间置换反应合成三元Te Cu Pt合金纳米线(NWs),其中碲纳米线(Te NWs)作为牺牲模板和还原剂。与二元Te Pt合金和纯Pt催化剂相比,将三元Te Cu Pt合金用于催化ORR时具有更正的半波峰电位和更高的比面积、比质量活性,同时显示出更强的抗CO性能,在MOR中也显示出更强的稳定性。这归因于Te、Cu成分与Pt形成合金后可以有效削弱Pt表面原子和中间产物(如OH*和CO*)的结合能力,以及对Pt催化剂电子和几何结构的协同影响。我们的工作提供了一种在ORR和MOR中均可采用的Pt基合金催化剂,有望应用于DMFC中。
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【学位授予单位】：聊城大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;TM911.4

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