基于MOF化合物可控制备氧气还原电催化材料及其性能研究

发布时间：2017-05-03 06:06

  本文关键词：基于MOF化合物可控制备氧气还原电催化材料及其性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：燃料电池因工作环境友好、理论寿命长、效率高等优点,作为一种氢能有效应用方式而被广泛关注。然而,燃料电池的阴极氧气还原反应效率低且反应慢,须使用高活性和高选择性催化剂以加快反应进程。Pt基催化剂是目前性能最好的阴极催化剂,但因Pt金属地壳储量稀少而且价格昂贵,燃料电池推广受到了极大的阻碍。开发高性能、低成本氧气还原阴极电催化材料是推动燃料电池及其技术发展亟待解决的关键问题。金属有机骨架材料(Metal-organic frameworks, MOF)是一种由过渡金属原子团簇与含多齿羧酸有机配体(以含羧基有机阴离子配体为主)之间共价键或者离子-共价键配位作用自组装而形成的多孔材料。MOF不仅具有传统沸石类材料的优良孔结构和高比表面积,而且拥有多样性结构以及多种不饱和金属活性位点等特点,是一类潜在应用广泛的结构模板材料。本论文以不同氮源制备的含钴MOF为模板,经过热处理刻蚀处理合成制备了Co/N-CNT及Co-N-C两种高分散非贵金属阴极氧气还原电催化材料。探究不同氮源、热处理温度及表面活性剂添加量等对于电催化材料结构、形貌和性能的影响。采用多种分析测试手段对样品晶体结构、形貌、孔结构等进行详细表征,并测试其在碱性电解质中氧气还原电催化性能。主要研究结果如下：(1)以三聚氰胺为氮源,通过溶剂热法制备含钻MOF前驱体(Co-MOF),对其在不同温度下进行热处理刻蚀处理得到氮掺杂碳纳米管负载钴基电催化材料(Co/N-CNT)。在800℃热处理条件下制备得到了Co/N-CNT-800碳纳米管电催化剂,其尺寸均匀、比表面积大,平均长度约为500 nm,直径约为40 nm,比表面积高达138.87 m2·g-1,含氮量为3.43%。该样品的氧气还原电催化性能最好,起始电位为0.89 V vs. RHE;1600 rpm转速下半波电位为0.81 V vs. RHE,极限电流密度为-3.84mA-cm-2;经24000 s测试后,稳定性比20% Pt/C高25.66%。(2)以六次甲基四胺为氮源,通过溶剂热法制备了含钴MOF前驱体(Co-MOF),并以十二烷基磺酸钠(SDS)为氮流失抑制剂,通过800℃热处理刻蚀处理得到氮掺杂钴基多孔碳材料(Co-N-C)。考察表面活性剂添加量对Co-N-C形貌与电催化性能的影响。研究结果表明,随着添加量的不同,所得产物的比表面积有明显差异,而且产物中氮含量也有较大区别,说明表面活性剂对氮的流失有抑制作用。表面活性剂添加量为2倍制备得到的Co-N-C-3样品形貌最规整,比表面积高达128.14 m2·g-1且其含氮量为4.92%。同时,该样品具有最佳氧气还原电催化性能：起始电位可达0.84 V vs. RHE,1600 rpm转速下极限电流密度为-4.37 mA·cm-2,其反应以四电子途径为主。
【关键词】：碱性燃料电池 氧气还原反应 金属有机骨架材料 氮掺杂 非贵金属催化剂
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 质子交换膜燃料电池概述12-15
• 1.2.1 简介12
• 1.2.2 工作原理12-13
• 1.2.3 特征13-15
• 1.3 质子交换膜燃料电池阴极催化材料15-18
• 1.3.1 Pt基阴极电催化材料15-16
• 1.3.2 过渡金属硫族化合物阴极电催化材料16
• 1.3.3 氮修饰碳基阴极电催化材料16-18
• 1.4 金属有机骨架材料概述18-22
• 1.4.1 简介18-19
• 1.4.2 合成方法19-20
• 1.4.3 MOF阴极电催化应用20-22
• 1.5 选题的研究意义和研究内容22-24
• 1.5.1 选题的研究意义22
• 1.5.2 选题的研究内容22-24
• 第二章 实验部分24-28
• 2.1 实验原料24-25
• 2.2 实验内容25-26
• 2.2.1 Co/N-CNT电催化剂材料的制备25
• 2.2.2 Co-N-C电催化材料的制备25-26
• 2.3 样品表征与分析26-27
• 2.4 电催化性能评价27-28
• 第三章 Co/N-CNT ORR电催化材料的制备及性能研究28-47
• 3.1 前言28-29
• 3.2 晶体结构分析29-33
• 3.3 N元素分析33-36
• 3.4 形貌分析36-38
• 3.5 孔结构分析38-39
• 3.6 电化学性能分析39-46
• 3.7 本章小结46-47
• 第四章 表面活性剂辅助制备Co-N-C ORR电催化材料及性能研究47-66
• 4.1 前言47-48
• 4.2 晶体结构分析48-52
• 4.3 N、S元素分析52-56
• 4.4 形貌分析56-58
• 4.5 孔结构分析58-59
• 4.6 电化学性能分析59-65
• 4.7 本章小结65-66
• 第五章 结论66-67
• 论文的创新点67-68
• 参考文献68-74
• 发表论文及专利申请情况74-76
• 致谢76-78
• 论文作者及导师简介78-79
• 附件79-80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：342448