铂基合金嵌入石墨烯纳米孔的原位合成及电催化性能研究

发布时间：2017-07-21 04:18

  本文关键词：铂基合金嵌入石墨烯纳米孔的原位合成及电催化性能研究

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【摘要】：燃料电池具有能量转换效率高、可大规模运用和零排放等优点,在燃料电池车和便携式移动电源领域具有广阔前景。然而,燃料电池阴极氧还原反应催化剂存在的价格昂贵、循环稳定性差等问题限制着燃料电池的商业化应用。本文针对以上问题,从提高铂的利用率和增强载体与粒子之间相互作用的角度出发,用简单实用的方法原位合成了铂合金嵌入氮掺杂石墨烯纳米孔结构的石墨烯复合催化剂并系统研究了石墨烯孔的引入对氧还原反应的影响。主要研究内容如下:(1)首次引入酞菁铂为铂前驱体,利用氮气焙烧的方法原位合成出了铂钴纳米粒子嵌入氮掺杂石墨烯纳米孔结构的催化剂。通过调控反应的温度,推测了石墨烯纳米孔的形成机制。结果表明:高温焙烧时,酞菁铂的分解产生的气体会氧化酞菁铂附近石墨烯表面的碳原子,从而产生石墨烯纳米孔。在碱性电解质条件下,该催化剂体现了11.5倍高于商业Pt/C的质量活性,而且经过2000次循环之后,催化剂的能量损失只有5%,远低于Pt/C催化剂的能量损失。(2)在以上工作的基础上,为了进一步提高铂的利用率,以氯化铁为铁源,经过焙烧和稀酸处理,成功制备出了多孔铂铁纳米粒子嵌入氮掺杂石墨烯纳米孔结构的催化剂。研究表明,由于石墨烯孔和纳米粒子孔的引入,这种特殊“双孔”结构的催化剂不仅充分暴露了反应活性位,而且有利于增强反应的传质,进而提高催化反应性能。得益于此,该催化剂在氧还原反应和析氢反应中都体现了优于商业Pt/C的电催化性能。(3)通过焙烧法制备得到了氮掺杂碳包覆钴的氮磷复合纳米粒子。物理表征显示磷化钴及氮化钴共同存在于单个纳米颗粒内。这种特殊结构的纳米颗粒被均匀地分布在氮掺杂石墨烯基底上。电化学测试表明该催化剂可同时高效地催化氧还原反应和析氧反应,并表现出优异的起始电位,较大的电流密度及出色的稳定性。据统计该催化剂是现有双功能催化剂中效率最高的催化剂之一,这得益于氮磷复合纳米粒子与富氮结构之间的协同作用。
【关键词】：燃料电池 氧还原反应 原位合成 纳米孔石墨烯 铂合金
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-37
• 1.1 燃料电池研究背景与意义13
• 1.2 燃料电池简介13-18
• 1.2.1 燃料电池发展简史13-14
• 1.2.2 燃料电池的结构、基本原理14-15
• 1.2.3 燃料电池分类与特点15-18
• 1.3 碱性燃料电池阴极催化剂简介18-31
• 1.3.1 铂基催化剂19-26
• 1.3.2 非贵金属催化剂26-31
• 1.4 纳米孔石墨烯基复合催化剂31-34
• 1.5 选题依据与研究内容34-37
• 第二章 实验方法37-43
• 2.1 实验试剂与仪器37-38
• 2.1.1 实验试剂37-38
• 2.1.2 实验仪器38
• 2.2 催化剂表征38-40
• 2.2.1 X射线粉末衍射38-39
• 2.2.2 透射电子显微镜39
• 2.2.3 扫描电子显微镜39
• 2.2.4 热重分析39
• 2.2.5 X射线光电子能谱39-40
• 2.2.6 比表面积和孔径分布40
• 2.3 电化学性能测试40-43
• 2.3.1 氧还原反应性能测试40-41
• 2.3.2 析氧反应性能测试41-42
• 2.3.3 析氢反应性能测试42-43
• 第三章 铂钴合金嵌入石墨烯纳米孔的原位合成及电催化性能研究43-59
• 3.1 引言43-44
• 3.2 铂钴合金嵌入石墨烯纳米孔催化剂的制备44-45
• 3.3 结构表征结果与讨论45-51
• 3.3.1 扫描电镜45
• 3.3.2 透射电镜45-47
• 3.3.3 X射线粉末衍射47-48
• 3.3.4 X射线光电子能谱48-50
• 3.3.5 比表面积和孔径分布50-51
• 3.4 氧还原反应测试结果与讨论51-57
• 3.4.1 循环伏安测试和线性伏安测试51-54
• 3.4.2 转移电子数和质量活性54
• 3.4.3 塔菲尔曲线和阻抗测试54-55
• 3.4.4 稳定性测试55-57
• 3.4.5 密度泛函理论计算57
• 3.5 本章小结57-59
• 第四章 多孔铂铁合金嵌入石墨烯纳米孔的原位合成及电催化性能研究59-73
• 4.1 引言59-60
• 4.2 多孔铂铁合金嵌入石墨烯纳米孔催化剂的制备60-61
• 4.3 结构表征结果与讨论61-64
• 4.3.1 透镜电镜61
• 4.3.2 X射线粉末衍射61-63
• 4.3.3 X射线光电子能谱63-64
• 4.4 氧还原反应测试结果与讨论64-69
• 4.4.1 循环伏安测试和线性伏安测试64-66
• 4.4.2 转移电子数和质量活性66-67
• 4.4.3 塔菲尔曲线67-68
• 4.4.4 稳定性测试68-69
• 4.5 析氢反应测试结果与讨论69-71
• 4.5.1 线性伏安测试和塔菲尔曲线69-70
• 4.5.2 循环伏安测试70
• 4.5.3 稳定性测试70-71
• 4.6 本章小结71-73
• 第五章 氮磷化钴复合粒子嵌入氮掺杂碳层催化剂的合成及电催化性能研究73-91
• 5.1 引言73-74
• 5.2 磷化钴氮化钴复合粒子嵌入氮掺杂碳层催化剂的制备74-75
• 5.3 结构表征结果与讨论75-81
• 5.3.1 透镜电镜和扫描电镜75-77
• 5.3.2 X射线粉末衍射77-78
• 5.3.3 X射线光电子能谱78-80
• 5.3.4 热重分析80-81
• 5.4 氧还原反应测试结果与讨论81-86
• 5.4.1 循环伏安测试81-82
• 5.4.2 线性伏安曲线82-84
• 5.4.3 转移电子数和质量活性84
• 5.4.4 塔菲尔曲线84-85
• 5.4.5 稳定性测试85-86
• 5.5 析氧反应性能及讨论86-90
• 5.5.1 线性伏安测试86-87
• 5.5.2 塔菲尔曲线和电化学阻抗87-89
• 5.5.3 稳定性测试89-90
• 5.6 本章小结90-91
• 第六章 结论与展望91-93
• 6.1 结论91-92
• 6.2 本文主要创新点92
• 6.3 展望92-93
• 参考文献93-105
• 攻读硕士期间发表的学术论文105-106
• 致谢106

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