氨基酸辅助合成高性能燃料电池催化剂
发布时间：2021-08-20 13:01
对化石燃料的依赖已经给环境造成了严重影响,因此需要发展一种环境友好的新技术,对能源进行清洁和高效地存储与转换。因为燃料电池可以在低温下运行、能量转化效率高并且碳排放量低,被认为是可持续发展的清洁能源转换技术。然而,由于缺乏性价比高、活性优且稳定性强的催化剂,燃料电池的发展受到了严重阻碍。随着合成化学、电化学以及计算化学等学科的发展,人们对催化剂的制备、催化机理和结构-性质之间关系的理解也逐渐深入。氨基酸分子含丰富的官能团（如-NH2、-SH、-COOH和-OH等）,具有较强的与金属离子配位的能力,其与金属离子生成的配合物可以显著调节反应速率,使得通过控制反应动力学调控纳米晶的结构和形貌成为可能;另一方面,N等杂原子的引入也可以调控催化剂活性中心的电子状态或碳载体材料的本征活性。本论文主要探讨了谷氨酸（Glutamic acid）、精氨酸（Arginine）、脯氨酸（Proline）以及组氨酸（Histidine）四类氨基酸分子在可控合成电催化剂中的应用,并在此基础上进一步研究了催化剂的结构、形貌和组成对其电催化性能的影响。具体如下:1.以Glutamic acid...
【文章来源】：南京师范大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）燃烧化石燃料产生的CO2等废弃物；（b）人们被空气污染所困扰；（c）PEMFCs示意图；（d）燃料电池驱动的电动汽车
第1章绪论3图1.2燃料电池汽车的成本演进与预测[2]。柱状图显示的是PEMFCs的成本（美元），柱状图上显示的红色标注为燃料电池汽车的总成本。插图：基于每年生产50万个燃料电池系统的燃料电池汽车的成本分配。BOP：配套设施；GDL：气体扩散层；FCEV：燃料电池电动汽车；MEA：膜电极组件另一方面，现有PEMFCs的实际工作寿命最长只有1900小时，而美国能源部要求商业化移动PEMFCs的使用寿命要不低于5000小时的循环工作时间。造成PEMFCs工作寿命短的因素有多种，其中催化剂的耐久性是影响其寿命的最为关键的因素之一。催化剂的耐久性主要受到两个方面影响：（1）催化剂在长期使用过程中，发生的溶解、迁移和聚集会导致金属催化剂的结构和形貌发生变化，催化剂性能降低；（2）贵金属催化剂非常容易被阳极氧化过程中的中间产物和空气中的毒化物种（如SOx和NOx等）毒化，导致催化活性降低。因此，研发成本低、性能优且稳定性强的催化剂是推动PEMFCs大规模商业化的关键。1.2燃料电池催化剂对燃料电池而言，其燃料和氧化剂是在电催化剂的辅助下发生氧化和还原反应来产生电力。电催化剂的作用是加速电极和电解质界面上的电催化反应或降低反应的活化能，从而使得电催化反应更容易进行。因此，优化催化剂的活性以及提升催化剂的稳定性对燃料电池的发展具有重要的意义。通常催化剂的活性可以从两方面进行改善：（1）增加催化剂中可接触的活性位点数量（通过负载或者改进催化剂结构使其暴露更多的活性位点）；（2）增加
第1章绪论4每个活性位点的本征活性。这两方面并不相互排斥，理想的情况下可以同时改进这两点以最大程度增强催化剂的活性。与此同时，在不影响其他重要过程（如电荷和质量传输）的前提下，电极上可以负载的催化剂的数量是有物理限制的，如图1.3的插图显示了催化剂负载量过高时的平台效应。值得注意的是，增加活性位点的内在活性将直接导致电极活性的增加，从而减轻催化剂负载量过高时可能引起的传输限制。即通过提升催化剂的内在活性，同时减轻催化剂的负载量，可以达到提升催化剂活性的同时节约催化剂成本的目的。在电催化过程中，催化剂自身的溶解和奥斯特瓦尔德（Ostwald）熟化、载体的腐蚀以及氧扩散的阻力等均是影响催化剂稳定性的关键因素。因此，可以通过合成组分、形貌和结构可控的新型催化剂来调控其对催化反应的活性和稳定性。图1.3催化剂研发策略示意图[3]按照元素在地壳中的含量，电催化剂可分为贵金属纳米材料和非贵金属纳米材料。贵金属元素包括钌（Ru）、铑（Rh）、Pt、钯（Pd）、锇（Os）、铱（Ir）、金（Au）和银（Ag）。贵金属的化学性质比较稳定，且对大部分催化反应有良好的催化活性。但是贵金属催化剂的成本过高，限制了其大规模的使用。将贵金属与第二元素形成组分可调的合金，不仅可以利用不同组分间的电子耦合和应力作用来显著提高贵金属合金纳米催化剂的本征催化活性，还可以降低催化剂的成本。除了对催化剂的组分进行调控之外，调控催化剂的结构使其暴露出更多的活性位点也有利于其催化性能的显著提升。另一种由内层材料（核）和外层材料（壳）
【参考文献】：
期刊论文
[1]电催化剂设计中表面和界面工程的最新进展（英文）[J]. 王成名,柏嵩,熊宇杰. 催化学报. 2015(09)
本文编号：3353545
【文章来源】：南京师范大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）燃烧化石燃料产生的CO2等废弃物；（b）人们被空气污染所困扰；（c）PEMFCs示意图；（d）燃料电池驱动的电动汽车
第1章绪论3图1.2燃料电池汽车的成本演进与预测[2]。柱状图显示的是PEMFCs的成本（美元），柱状图上显示的红色标注为燃料电池汽车的总成本。插图：基于每年生产50万个燃料电池系统的燃料电池汽车的成本分配。BOP：配套设施；GDL：气体扩散层；FCEV：燃料电池电动汽车；MEA：膜电极组件另一方面，现有PEMFCs的实际工作寿命最长只有1900小时，而美国能源部要求商业化移动PEMFCs的使用寿命要不低于5000小时的循环工作时间。造成PEMFCs工作寿命短的因素有多种，其中催化剂的耐久性是影响其寿命的最为关键的因素之一。催化剂的耐久性主要受到两个方面影响：（1）催化剂在长期使用过程中，发生的溶解、迁移和聚集会导致金属催化剂的结构和形貌发生变化，催化剂性能降低；（2）贵金属催化剂非常容易被阳极氧化过程中的中间产物和空气中的毒化物种（如SOx和NOx等）毒化，导致催化活性降低。因此，研发成本低、性能优且稳定性强的催化剂是推动PEMFCs大规模商业化的关键。1.2燃料电池催化剂对燃料电池而言，其燃料和氧化剂是在电催化剂的辅助下发生氧化和还原反应来产生电力。电催化剂的作用是加速电极和电解质界面上的电催化反应或降低反应的活化能，从而使得电催化反应更容易进行。因此，优化催化剂的活性以及提升催化剂的稳定性对燃料电池的发展具有重要的意义。通常催化剂的活性可以从两方面进行改善：（1）增加催化剂中可接触的活性位点数量（通过负载或者改进催化剂结构使其暴露更多的活性位点）；（2）增加
第1章绪论4每个活性位点的本征活性。这两方面并不相互排斥，理想的情况下可以同时改进这两点以最大程度增强催化剂的活性。与此同时，在不影响其他重要过程（如电荷和质量传输）的前提下，电极上可以负载的催化剂的数量是有物理限制的，如图1.3的插图显示了催化剂负载量过高时的平台效应。值得注意的是，增加活性位点的内在活性将直接导致电极活性的增加，从而减轻催化剂负载量过高时可能引起的传输限制。即通过提升催化剂的内在活性，同时减轻催化剂的负载量，可以达到提升催化剂活性的同时节约催化剂成本的目的。在电催化过程中，催化剂自身的溶解和奥斯特瓦尔德（Ostwald）熟化、载体的腐蚀以及氧扩散的阻力等均是影响催化剂稳定性的关键因素。因此，可以通过合成组分、形貌和结构可控的新型催化剂来调控其对催化反应的活性和稳定性。图1.3催化剂研发策略示意图[3]按照元素在地壳中的含量，电催化剂可分为贵金属纳米材料和非贵金属纳米材料。贵金属元素包括钌（Ru）、铑（Rh）、Pt、钯（Pd）、锇（Os）、铱（Ir）、金（Au）和银（Ag）。贵金属的化学性质比较稳定，且对大部分催化反应有良好的催化活性。但是贵金属催化剂的成本过高，限制了其大规模的使用。将贵金属与第二元素形成组分可调的合金，不仅可以利用不同组分间的电子耦合和应力作用来显著提高贵金属合金纳米催化剂的本征催化活性，还可以降低催化剂的成本。除了对催化剂的组分进行调控之外，调控催化剂的结构使其暴露出更多的活性位点也有利于其催化性能的显著提升。另一种由内层材料（核）和外层材料（壳）
【参考文献】：
期刊论文
[1]电催化剂设计中表面和界面工程的最新进展（英文）[J]. 王成名,柏嵩,熊宇杰. 催化学报. 2015(09)
本文编号：3353545
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/3353545.html
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