热解聚苯胺—金属配位聚合物制备碳基催化剂及催化性能研究

发布时间：2017-08-19 07:35

  本文关键词：热解聚苯胺—金属配位聚合物制备碳基催化剂及催化性能研究

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【摘要】：质子交换膜燃料电池(PEMFCs)具有功率密度高、操作温度低和环境污染小等优点,被认为是理想的清洁能源转化装置,但是燃料电池的高成本限制了它的应用和发展。目前PEMFCs使用的阴极和阳极催化剂主要为Pt基催化剂,由于Pt资源稀缺,导致催化剂成本高,而且Pt容易CO中毒失去活性,这些因素使催化剂成为限制PEMFCs商业化的重要原因。因此,研究与开发非铂催化剂来代替Pt基催化剂对于PEMFCs的发展具有十分重要的现实意义。在诸多的非铂催化剂当中,碳基催化剂受到广泛关注,其中氮掺杂碳基催化剂因其稳定性良好和成本低已成为近年来PEMFCs阴极催化剂的研究热点。而通过热解过渡金属-配位聚合物制备的金属-氮-碳(M-N-C)催化剂被认为是最有希望的氮掺杂碳基催化剂之一。本文通过化学氧化聚合法,将过渡金属(M=Fe、Co、FeCo)盐在苯胺聚合过程中加入,合成不同的聚苯胺-金属(PANI-M)配位聚合物,然后用乙醇或水等不同的溶剂浸泡清洗,最后将配位聚合物作为氮源和碳源前驱体在N2气氛中900℃热处理,得到不同的M-N-C氮掺杂碳基催化剂,并制备了未加金属的聚苯胺(PANI)前驱体和相应的C-N氮掺杂碳基催化剂作为对比。采用FTIR、Raman、 XPS、XRD、TOP-SIMS和TEM等分析手段分析PANI-M\PANI前驱体和M-N-C\C-N催化剂的形貌、表面化学成分和结构,研究了溶剂对聚苯胺前驱体结构和M-N-C催化剂电催化性能的影响。结果表明,PANI-M配位聚合物经溶剂浸泡清洗后,其表面的一些硫化物及不稳定的物相明显减少并发生了一定程度的脱掺杂,使乙醇浸泡清洗后的PANI-Fe前驱体的掺杂率接近理想值0.5, PANI-Fe前驱体的微观形貌由原始的片状向纳米齿状发生衍变,制备的M-N-C催化剂的电催化活性明显提高。M-N-C催化剂活性提高的原因主要是溶剂使PANI-M前驱体的形貌、结构、表面化学组成和化学状态发生了变化,使其在热处理过程中能够产生更多的活性位,促使电催化性能提高。在以上研究的基础上,利用不同的Fe盐、Co盐和FeCo盐分别制备了14种用乙醇浸泡清洗后的PANI-M前驱体和相应的M-N-C催化剂(M= Fe、Co、FeCo),用电化学方法测试了M-N-C催化剂的电催化活性,研究了不同过渡金属盐对PANI-M前驱体结构的影响。结果表明,金属盐的含量、金属阳离子的化学价态和种类,以及阴离子种类会对PANI-M前驱体的结构和M-N-C催化剂的电催化性能产生影响。
【关键词】：金属-氮-碳催化剂 聚苯胺 过渡金属盐 溶剂 电催化活性
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 引言12-13
• 1.2 PEMFCs非铂碳基催化剂研究进展13-18
• 1.2.1 金属-氮-碳催化剂13-18
• 1.2.2 氮-碳催化剂18
• 1.3 聚苯胺18-23
• 1.3.1 聚苯胺的概述18
• 1.3.2 聚苯胺的合成18
• 1.3.3 聚苯胺的掺杂、导电与分子结构18-20
• 1.3.4 聚苯胺的微纳米结构及形貌20-23
• 1.4 论文选题思路及工作内容23-26
• 1.4.1 论文选题思路23-24
• 1.4.2 本文的研究内容24-26
• 第二章 实验材料和方法26-36
• 2.1 实验材料和实验仪器26-29
• 2.1.1 实验材料26-27
• 2.1.2 实验仪器27-28
• 2.1.3 分析表征设备28-29
• 2.2 实验方案29-30
• 2.3 实验方法30-31
• 2.3.1 PANI-M前驱体的合成30
• 2.3.2 PANI前驱体的合成30
• 2.3.3 M-N-C/C-N催化剂的制备30-31
• 2.4 工作电极的制备31
• 2.5 分析表征手段31-36
• 2.5.1 电化学性能测试31-33
• 2.5.2 傅里叶变换红外光谱33
• 2.5.3 拉曼光谱33
• 2.5.4 X-射线光电子能谱33-34
• 2.5.5 X-射线衍射分析34
• 2.5.6 飞行时间二次离子质谱分析34-35
• 2.5.7 透射电子显微镜35-36
• 第三章 溶剂对M-N-C催化剂电催化性能的影响36-72
• 3.1 引言36-37
• 3.2 M-N-C/C-N催化剂的制备37-38
• 3.3 结果与讨论38-69
• 3.3.1 M-N-C/C-N催化剂的电化学性能表征38-43
• 3.3.2 PANI-Fe/PANI前驱体的FTIR表征43-47
• 3.3.3 PANI-Fe/PANI前驱体的Raman表征47-49
• 3.3.4 PANI-Fe/PANI前驱体的XPS表征49-55
• 3.3.5 Fe-N-C/C-N催化剂的XPS表征55-59
• 3.3.6 PANI-Fe前驱体的TOF-SIMS表征59-63
• 3.3.7 PANI-M/PANI前驱体的XRD表征63-65
• 3.3.8 M-N-C/C-N催化剂的XRD表征65-67
• 3.3.9 PANI-M/PANI前驱体的TEM表征67-69
• 3.4 本章小结69-72
• 第四章 不同过渡金属盐对M-N-C催化剂电催化性能的影响72-86
• 4.1 引言72
• 4.2 不同M-N-C催化剂的制备72-73
• 4.3 结果与讨论73-85
• 4.3.1 不同M-N-C催化剂的电化学性能表征73-81
• 4.3.2 不同PANI-Fe前驱体的FTIR表征81-83
• 4.3.3 不同PANI-Fe前驱体的XRD表征83-85
• 4.4 本章小结85-86
• 第五章 结论与展望86-90
• 5.1 主要结论86-88
• 5.2 本文的创新点88
• 5.3 展望88-90
• 致谢90-92
• 参考文献92-102
• 附录A 攻读硕士学位期间取得的科研成果情况102-103
• 附录B 攻读硕士学位期间参加的主要科研项目103

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本文编号：699491