氮掺杂石墨化碳氧还原催化剂的研究

发布时间：2017-10-17 00:39

  本文关键词：氮掺杂石墨化碳氧还原催化剂的研究

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【摘要】：质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、环境友好、室温快速启动等优点,被认为是未来电动汽车及其它民用场合最有希望的化学电源。目前,主要的燃料电池阴极催化剂是铂类催化剂,但其成本高昂、资源匮乏和易中毒等缺点严重制约了燃料电池的商业化。故而,低Pt和非Pt催化剂已经成为人们的研究重点。然而为了长远利益,唯有开发能够完全替代Pt的、成本低廉、资源丰富且性能好的催化剂才是根本的出路。因此,本文从非Pt催化剂的方向出发,设计了两种氮掺杂碳类催化剂。首先,本文针对现有石墨烯类催化剂易堆叠、石墨烯层层间电导性差所导致的催化剂活性较低的缺点,提供了一种氮掺杂石墨烯负载Co_3O_4催化剂(RGO-Schiff-Co_3O_4)的制备方法。即通过有机胺还原氧化石墨烯将胺基官能团嫁接在石墨烯片缺陷位,再利用胺醛缩合将胺基转化为席夫碱官能团,同时在回流冷凝条件下锚定非贵金属氧化物,形成三维立体结构的氮掺杂石墨烯负载Co_3O_4催化剂。一方面,巧妙利用金属席夫碱可以在氮掺杂石墨烯层与层之间形成纽带,构成起三维交联的氮掺杂石墨烯催化剂立体结构,极大的减少了氮掺杂石墨烯的堆叠,有效地提高了氮掺杂石墨烯层间的电子传导能力和层内催化传质速率;另一方面,由于催化剂三维空间中具有大量金属席夫碱和金属氧化物催化活性位点,这两种催化活性位协同催化,大幅度提高催化活性。其次,为了获得具有优良电催化性能的氮掺杂碳纳米管,我们采用管状MnO_2作为模板,且在其表面通过原位氧化聚合苯胺构建管状聚合物前驱;为了进一步提高石墨化程度,然后采用SiO_2凝胶空间限域热解和在900℃二次高温碳化的方法,探索合成纳米管状的氮掺杂碳材料氧还原催化剂(CN-SiO_2-HT2)。本文采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射谱(XRD)以及电化学方法探求CN-SiO_2-HT2催化剂的纳米结构与电化学活性。在该实验中MnO_2不仅充当着模板,而且作为氧化剂氧化聚合苯胺的同时自身还原成Mn2+,无需再刻蚀MnO_2模板。此外,利用SiO_2的空间限域作用可以有效防止聚苯胺在高温碳化时的坍塌与团聚,提高催化剂产量,减少含氮活性位点的损失,最终提高催化剂的ORR活性。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 席夫碱 四氧化三钴 石墨烯 二氧化锰 聚苯胺
【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
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-23
• 1.1 燃料电池（FC）10-12
• 1.1.1 燃料电池工作原理10
• 1.1.2 燃料电池的优点10-11
• 1.1.3 燃料电池的分类11-12
• 1.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）12-16
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池的发展历程12
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池工作原理及组成12-14
• 1.2.3 质子交换膜燃料电池的优点14-15
• 1.2.4 质子交换膜燃料电池应用前景15-16
• 1.3 质子交换膜燃料电池之Pt基催化剂面临的主要问题16-18
• 1.3.1 Pt基催化剂活性问题16-17
• 1.3.2 Pt基催化剂成本问题17-18
• 1.4 质子交换膜燃料电池之非Pt氧还原催化剂研究现状18-21
• 1.4.1 非贵金属催化剂的研究现状18-19
• 1.4.2 非金属催化剂的研究现状19-21
• 1.5 本论文的研究内容21-23
• 2 实验部分23-27
• 2.1 实验试剂与材料23
• 2.2 实验仪器23-24
• 2.3 催化剂的表征24-27
• 2.3.1 电催化性能表征24-25
• 2.3.2 物化性能表征25-27
• 3 席夫碱桥连石墨烯负载四氧化三钴催化剂的制备及表征27-43
• 3.1 引言27-28
• 3.2 实验部分28-30
• 3.2.1 席夫碱桥连石墨烯负载四氧化三钴催化剂(RGO-Schiff-Co_3O_4)的制备28-29
• 3.2.2 氮掺杂石墨烯负载四氧化三钴催化剂（RGO-Co_3O_4）的制备29
• 3.2.3 席夫碱桥连石墨烯催化剂（RGO-Schiff）的制备29
• 3.2.4 电化学性能测试29-30
• 3.2.5 物理性能表征30
• 3.3 结果与讨论30-42
• 3.3.1 红外吸收光谱（IR）30-32
• 3.3.2 X射线衍射表征（XRD）32-33
• 3.3.3 催化剂的形貌表征（TEM）33-34
• 3.3.4 催化剂的形貌表征（SEM）34-35
• 3.3.5 Mapping分析35
• 3.3.6 能量色散X射线光谱（EDX或EDS）35-36
• 3.3.7 XPS分析36-37
• 3.3.8 循环伏安测试（CV）纵向对比37-38
• 3.3.9 循环伏安测试（CV）横向对比38-40
• 3.3.10 电化学阻抗谱（EIS）40-41
• 3.3.11 电子转移数41
• 3.3.12 稳定性测试（ADT）41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 4 空间限域制备氮掺杂石墨化碳纳米管催化剂的制备剂表征43-55
• 4.1 引言43-44
• 4.2 实验部分44-46
• 4.2.1 空间限域制备氮掺杂石墨化碳纳米管催化剂（CN-SiO_2-HT2）的制备44-45
• 4.2.2 氮掺杂石墨化碳纳米管催化剂（CN-HT1）的制备45
• 4.2.3 电化学性能评价45-46
• 4.2.4 物理性能表征46
• 4.3 结果与讨论46-54
• 4.3.1 X射线衍射表征（XRD）46-47
• 4.3.2 Ramam光谱分析47-48
• 4.3.3 比表面积与孔径结构分析48-49
• 4.3.4 催化剂的形貌表征（SEM）49-50
• 4.3.5 能量色散X射线光谱（EDX或EDS）50-51
• 4.3.6 电催化性能分析51-52
• 4.3.7 电子转移数52-53
• 4.3.8 稳定性测试（ADT）53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 5 结论55-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-65
• 附录65
• 作者在攻读学位期间发表的论文65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

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本文编号：1045868