热解牛奶—氧化石墨制氧还原反应催化剂的研究

发布时间：2017-09-11 11:34

  本文关键词：热解牛奶—氧化石墨制氧还原反应催化剂的研究

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【摘要】：燃料电池因一系列优点是目前能源和环境领域的主要研究对象,但其阴极的氧还原反应(ORR)制约该电池的商业化应用。传统采用的Pt/C催化剂虽催化活性强,但价格昂贵、资源稀缺、稳定性差、耐甲醇性差等。为此,开发廉价易得的高效氧还原反应电催化剂成为目前的研究热点。本文选择廉价生物质牛奶作为氮源,氧化石墨作为碳源,通过“高温热解法”制备N/C系列催化剂,并考察N源含量、热处理温度和时间、金属掺杂和两步热解对催化剂活性的影响。结果表明,一步热解法得到的N/C催化剂具有ORR催化活性,在0.1 mol/L KOH溶液中,它的氧还原起始电位(Eonset)和峰电位(Ep)分别为Eonset=0.020 V,Ep=-0.115 V vs(Hg/HgO),氧还原反应电子转移数为2.5。另外,金属掺杂和两步热解都可以明显改善N/C催化活性。为了明确金属Co在催化剂中的作用,将添加Co Cl2·6H2O后得到的催化剂Co-N/C进行酸化处理,并标记为Co-N/C-A。电化学测试结果表明,Co-N/C-A催化剂在0.1 mol/L KOH溶液中的氧还原电位分别为Eonset=0.037 V,Ep=-0.082 V vs(Hg/HgO),ORR电子转移数为3.8。和N/C相比,Co-N/C-A呈现出更强的催化活性,这可能与高含量的Pyridinic-N和Pyrrolic-N有关。此外,与N/C相比,两步热解得到的N/C′催化剂起始氧还原电位和峰电位分别正移了15 mV和25 mV,ORR电子转移数为3.7。造成该结果的原因可能是在两步热解中,第一阶段的热解会使牛奶中的蛋白质彻底分解,其中的碳尽可能石墨化,从而更有利于N对碳材料的掺杂。最后,本文所制备的N/C系列催化剂在0.1 mol/L KOH溶液中的稳定性和耐甲醇性都比Pt/C催化剂更优异。
【关键词】：氧还原反应 催化剂 氧化石墨 牛奶
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-7
• 1 绪论7-23
• 1.1 引言7-9
• 1.1.1 燃料电池的定义及分类7
• 1.1.2 燃料电池的工作原理7-8
• 1.1.3 燃料电池的发展瓶颈8-9
• 1.2 阴极氧还原反应催化剂的研究现状9-17
• 1.2.1 贵金属及其合金催化剂9-11
• 1.2.2 过渡金属大环化合物类催化剂11-13
• 1.2.3 TM-N/C型催化剂13-16
• 1.2.4 N/C型催化剂16-17
• 1.3 N/C型氧还原反应催化剂的现状17-21
• 1.3.1 N源种类及含量17-18
• 1.3.2 碳载体的类别18-19
• 1.3.3 热处理方式19-20
• 1.3.4 金属掺杂的影响20
• 1.3.5 活性位点的研究现状20-21
• 1.4 论文的研究目的及意义21-22
• 1.5 论文的研究内容22-23
• 2 实验部分23-28
• 2.1 实验试剂与仪器23-24
• 2.1.1 实验试剂23
• 2.1.2 实验仪器23-24
• 2.2 催化剂的制备24-25
• 2.3 催化电极的制备25-26
• 2.4 催化剂的活性测试与结构表征26-28
• 2.4.1 电化学测试26
• 2.4.2 X射线衍射26
• 2.4.3 扫描电子显微镜26-27
• 2.4.4 X射线光电子能谱27
• 2.4.5 差热/热重分析27-28
• 3 结果与讨论28-50
• 3.1 N/C催化剂的条件优化与活性28-33
• 3.1.1 氧化石墨做碳源的优异性28-29
• 3.1.2 前驱体类别的影响29
• 3.1.3 N源含量的影响29-31
• 3.1.4 热处理方式的影响31-33
• 3.1.5 N/C催化剂的催化活性33
• 3.2 金属掺杂对N/C催化剂的活性影响33-36
• 3.2.1 金属Co掺杂量的影响33-34
• 3.2.2 三种催化剂的活性对比34-36
• 3.3 两步热解对N/C催化剂的活性影响36-38
• 3.3.1 两步热解条件的探索36-37
• 3.3.2 催化剂N/C和N/C′的活性对比37-38
• 3.4 催化机理38-40
• 3.5 稳定性和耐甲醇性40-42
• 3.5.1 稳定性40-41
• 3.5.2 耐甲醇性41-42
• 3.6 催化剂在 0.1 mol/L KOH溶液中的活性对比与总结42-43
• 3.7 催化剂的形貌与结构表征43-50
• 3.7.1 物相组成43-44
• 3.7.2 显微形貌44
• 3.7.3 电子能谱分析44-46
• 3.7.4 热分析46-50
• 4 结论与展望50-51
• 4.1 结论50
• 4.2 展望50-51
• 致谢51-52
• 参考文献52-62
• 附录62
• A.作者在攻读硕士学位期间所发表的文章目录62

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本文编号：830521