非铂催化剂的研制及其在燃料电池氧还原反应上的应用

发布时间：2017-09-10 15:26

  本文关键词：非铂催化剂的研制及其在燃料电池氧还原反应上的应用

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【摘要】：开发高性能的非贵金属氧还原催化剂取代传统铂碳催化剂,是燃料电池领域的关键课题,相关研究对于促进燃料电池的商业化具有十分重要的意义。本文研究了一种具有高比表面和多级孔结构的中空掺杂碳催化剂的制备,它是由负载酞菁铁的ZIF-8纳米晶作为前驱体进行热分解得到的。实验将丰富的Fe Nx引入到高度多孔的富氮纳米晶中,同时也提高了酞菁铁的分散性,酞菁铁的掺杂对于中空碳结构的形成和催化剂氧还原性能的提升起到关键作用,单独由酞菁铁做前驱体和单独ZIF-8纳米晶做前躯体制备的掺杂碳材料并没有中空结构而且显示的催化活性较差,制备出来的这种催化剂在酸性条件和碱性条件下均显示了优异的氧还原催化性能,目前报道的非贵金属催化剂多是在碱性条件下显示高氧还原活性,研制在酸性条件下具有高活性的非贵金属催化剂仍是一个挑战,在0.1M HCl O4中,这种催化剂半波电位仅与商业铂相差60m V,在0.1M KOH中其半波电位超越商业铂高出35m V,该催化剂的活性高可以归结于以下几个因素:(1)酞菁铁掺到富氮多孔沸石咪唑框架中所带来的高活性位密度;(2)中空球形貌带来的巨大的比表面和活性位点的充分暴露;(3)多级孔结构进一步促进了氧气分子的扩散与吸附,加速氧还原反应的传质过程。本论文也研究了由ZIF-8纳米晶预碳化得到的掺氮碳载体再负载酞菁铁所得到的催化剂,它的活性不如酞菁铁和ZIF-8纳米晶结合后同时碳化衍生的催化剂的活性,这种预碳化后掺杂再碳化的方法制备的催化剂呈现不规则碳颗粒的形貌,也没有得到之前的中空球形貌。本论文还研究了由负载酞菁铜的ZIF-8纳米晶衍生的催化剂,它具有多孔碳颗粒结构,在酸性条件下和由负载酞菁铁的ZIF-8纳米晶衍生的催化剂的活性相比还有一定差距,但在碱性条件下具有较好的氧还原性能。
【关键词】：低温燃料电池 氧还原反应 非铂催化剂 掺杂碳材料
【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5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 低温燃料电池10-13
• 1.1.1 碱性燃料电池10-11
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池11-13
• 1.1.3 低温燃料电池技术的挑战及发展趋势13
• 1.2 阴极非贵金属催化剂研究现状13-24
• 1.2.1 掺杂碳催化剂的材料研究进展13-21
• 1.2.2 掺杂碳催化剂的催化机理研究进展21-23
• 1.2.3 掺杂碳催化剂的挑战及发展趋势23-24
• 1.3 本课题的主要研究意义、研究思路及研究内容24-26
• 1.3.1 本课题的主要研究意义24
• 1.3.2 本课题的主要研究思路24
• 1.3.3 本课题的主要研究内容24-26
• 第二章 实验设计与表征方法26-30
• 2.1 主要仪器及试剂26-27
• 2.1.1 主要仪器26
• 2.1.2 实验材料及化学试剂26-27
• 2.2 实验方法27
• 2.3 催化剂成分与结构表征方法27-28
• 2.3.1 扫描电子显微镜表征27
• 2.3.2 透射电子显微镜表征27-28
• 2.3.3 傅里叶变换红外光谱表征28
• 2.3.4 X射线光电子能谱表征28
• 2.3.5 X射线粉末衍射表征28
• 2.3.6 比表面积与孔径分布测定28
• 2.3.7 热重分析28
• 2.3.8 拉曼光谱分析28
• 2.4 催化剂的电催化性能测试方法28-29
• 2.4.1 催化剂的氧还原催化活性测试28-29
• 2.4.2 催化剂的氧还原催化稳定性测试29
• 2.5 本章小结29-30
• 第三章 由负载酞菁铁的ZIF-8 纳米晶衍生的中空氧还原掺杂碳催化剂30-58
• 3.1 引言30-32
• 3.2 实验部分32
• 3.2.1 催化剂的制备32
• 3.2.2 材料的表征32
• 3.2.3 氧还原催化活性评价32
• 3.3 结果与讨论32-57
• 3.3.1 催化剂的形貌、结构与组成32-46
• 3.3.2 催化剂的电化学性能46-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第四章 由ZIF-8 纳米晶的碳化物负载酞菁铁衍生的氧还原掺杂碳催化剂58-62
• 4.1 引言58
• 4.2 实验部分58
• 4.2.1 材料的制备58
• 4.2.2 材料的表征58
• 4.3 结果与讨论58-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 由负载酞菁铜的ZIF-8 纳米晶衍生的氧还原掺杂碳催化剂62-68
• 5.1 引言62-63
• 5.2 实验部分63
• 5.2.1 材料的制备63
• 5.2.2 材料的表征63
• 5.2.3 材料的电化学测试63
• 5.3 结果与讨论63-67
• 5.4 本章小结67-68
• 结论与展望68-70
• 参考文献70-81
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果81-82
• 致谢82-83
• 答辩委员会对论文的评定意见83

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本文编号：825061