以聚氨酯海绵为基体制备碳纤维及其在燃料电池电催化中的应用

发布时间：2017-08-20 09:13

  本文关键词：以聚氨酯海绵为基体制备碳纤维及其在燃料电池电催化中的应用

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【摘要】：燃料电池是直接将燃料与氧化剂中的化学能转化为电能的一种发电装置,由于它具有能量转换率高、环境污染少、比能量高等优点受到社会的广泛关注。质子交换膜燃料电池是目前研究较热门的一种燃料电池,尽管质子交换膜燃料电池已经应用于商业领域,但是由于技术上的瓶颈和价格昂贵等因素限制了其大规模的发展。铂基催化剂是目前质子交换膜燃料电池催化剂中性能最好的催化剂,但是由于地球上铂资源储量有限且价格昂贵,所以如何充分提高铂的利用率是目前需要研究的关键,而提高催化剂的活性和稳定性是提高铂利用率的方法之一。本文以提高质子交换膜燃料电池电催化剂的活性和稳定性为目标,首先以聚氨酯海绵作为基体,通过一系列前处理工艺,用化学镀的方法制备出泡沫镍,以化学气相沉积的方法在泡沫镍上生长碳纳米纤维,并探究不同反应条件对碳纳米纤维材料性能的影响;其次,改变化学镀液的配方,以同样方法制备出泡沫铜,在最佳的反应条件进行化学气相沉积生长含氮磷硼等掺杂元素的碳纳米纤维材料,采用乙二醇还原法在此材料上负载铂,从而制备出性能优良的Pt/CNF催化剂,应用于质子交换膜燃料电池。本文以硫酸镍作为化学镀液制备出了泡沫镍。首先以温度和时间为影响因素进行物性分析,分别在500oC,600oC,700oC下通入乙炔3h以及在600oC下分别通入乙炔2h,3h,4h进行催化生长碳纳米纤维,BET结果显示在600oC和3h条件下生长出来的碳纳米纤维的比表面积达到了168 m2g-1,XRD和Raman分析结果显示,其具有一定石墨化程度,同时含有一定的缺陷位点,这非常合适用作于电催化剂的载体;在亲水性试验中发现自制的碳纳米纤维不需要经过任何预处理工艺就显示出良好的亲水性能;在电化学测试中发现自制碳纳米纤维的氧还原起始电位比商业碳纳米管要正30mV,说明自制碳纳米纤维具有更高的氧还原活性;这一系列测试表明自制的碳纳米纤维作为催化剂的载体具有良好的相关性能。本文同时以硫酸铜作为化学镀液制备出了泡沫铜,在600oC和3h条件下进行气相生长碳纳米纤维。由于在化学镀铜液中添加了硼酸和次亚磷酸钠,再加上聚氨酯海绵本身就含有氮(N)元素,通过高温裂解后,元素分析结果显示最终的产物碳纳米纤维中掺杂了硼(B)、氮(N)、磷(P)等元素。根据催化剂的TEM图可以发现Pt粒子在碳纳米纤维上均匀分散,平均粒径约3.2 nm,这个粒径尺度处在最大限度暴露Pt粒子的范围之内。加速稳定性试验表明在自制的碳纳米纤维上负载铂的Pt/CNF催化剂比商业的Pt/C-JM催化剂具有更高的稳定性,在从第500圈到第2000圈的扫描过程中,Pt/CNF催化剂的ECSA只下降了18.3%,而商业的Pt/C-JM催化剂下降了39.2%;氧还原电催化活性比较也可以证明Pt/CNF比Pt/C-JM催化剂的活性要高,Pt/CNF催化剂比Pt/CJM催化剂的起始还原电位要正30 mV,且Pt/C-JM催化剂的半波电位也比Pt/CNF催化剂的半波电位差了33 mV。因此,本文制备的碳纳米纤维具有良好的载体性能,可以很好地应用于质子交换膜燃料电池。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 化学镀 泡沫镍 泡沫铜 碳纳米纤维 电催化剂
【学位授予单位】：华南理工大学
【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 质子交换膜燃料电池概述12-19
• 1.1.1 燃料电池的研究进展12-14
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池基本构造和工作原理14-15
• 1.1.3 质子交换膜燃料电池电氧化和电还原还原反应的过程和机理15-19
• 1.2 质子交换膜燃料电池催化剂的概况19-25
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法19-23
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池催化剂的研究进展23-24
• 1.2.3 质子交换膜燃料电池催化剂面临的问题24-25
• 1.3 本论文的研究背景、意义和内容25-26
• 1.3.1 研究背景和意义25
• 1.3.2 研究内容25-26
• 第二章 实验设计与表征方法26-34
• 2.1 实验材料与化学试剂26-27
• 2.2 实验设备27-28
• 2.3 实验方法28-31
• 2.3.1 泡沫金属的制备工艺28-30
• 2.3.1.1 前处理工艺28-29
• 2.3.1.2 化学镀工艺29-30
• 2.3.2 碳纳米纤维的制备工艺30
• 2.3.3 催化剂的制备工艺30-31
• 2.3.4 旋转圆盘电极的制备工艺31
• 2.4 催化剂及其载体的表征方法31-34
• 2.4.1 形貌及结构表征31-32
• 2.4.1.1 扫描电子显微镜SEM31
• 2.4.1.2 透射电子显微镜TEM31
• 2.4.1.3 X射线能谱仪（EDS）31
• 2.4.1.4 X射线衍射仪（XRD）31-32
• 2.4.1.5 全自动比表面和孔隙分析仪（BET）32
• 2.4.1.5 热重分析仪（TGA）32
• 2.4.1.6 傅里叶红外变换光谱仪（FT-IR）32
• 2.4.1.7 拉曼光谱仪（Raman spectra）32
• 2.4.2 催化剂的电化学性能的评价方法32-34
• 2.4.2.1 循环伏安法（Cyclic Voltammetry，，CV）32-33
• 2.4.2.2 氧还原电催化反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR）33
• 2.4.2.3 加速稳定性测试（accelerated stability test，AST）33-34
• 第三章 碳纳米纤维的制备和表征34-46
• 3.1 引言34
• 3.2 实验部分34-35
• 3.2.1 泡沫镍的制备34
• 3.2.2 碳纳米纤维的制备34-35
• 3.2.3 碳纳米纤维的表征35
• 3.3 结果与讨论35-44
• 3.3.1 实验流程图35-36
• 3.3.2 碳纳米纤维制备过程的形貌分析36-37
• 3.3.3 不同反应条件下生长碳纳米纤维的XRD分析37-38
• 3.3.4 不同反应条件下生长碳纳米纤维的Raman分析38-39
• 3.3.5 不同反应条件下生长碳纳米纤维的氮气吸脱附曲线和孔径分布分析39-41
• 3.3.6 不同反应条件下生长的碳纳米纤维的形貌分析41-42
• 3.3.7 碳纳米纤维的亲水性测试42-43
• 3.3.8 碳纳米纤维的电化学性能43-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 改性碳纳米纤维及Pt/CNF催化剂的制备与研究46-60
• 4.1 引言46
• 4.2 实验部分46-47
• 4.2.1 泡沫铜的制备46
• 4.2.2 杂原子掺杂的碳纳米纤维材料的制备46
• 4.2.3 Pt/CNF催化剂的制备46-47
• 4.2.4 自制碳纳米纤维及Pt/CNF的表征47
• 4.3 结果与讨论47-59
• 4.3.1 泡沫铜气相生长的碳纳米纤维的形貌分析47-49
• 4.3.2 泡沫铜气相生长的碳纳米纤维的氮气吸脱附曲线分析49-50
• 4.3.3 泡沫铜气相生长的碳纳米纤维的红外光谱分析50-51
• 4.3.4 泡沫铜气相生长的碳纳米纤维的拉曼光谱分析51-52
• 4.3.5 泡沫铜气相生长的碳纳米纤维和Pt/CNF催化剂的元素分析52-53
• 4.3.6 泡沫铜气相生长的碳纳米纤维和Pt/CNF催化剂的热重分析53-54
• 4.3.7 泡沫铜气相生长的碳纳米纤维和Pt/CNF催化剂的XRD分析54-55
• 4.3.8 Pt/CNF催化剂的TEM和粒径分布分析55-56
• 4.3.9 Pt/CNF催化剂的稳定性测试分析56-58
• 4.3.10 Pt/CNF催化剂的氧还原催化性能分析58-59
• 4.4 本章小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-72
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果72-73
• 致谢73-75
• Ⅳ－2答辩委员会对论文的评定意见75

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本文编号：705761