新型氮掺杂碳基非贵金属催化剂的设计及其在氧还原反应中的应用

发布时间：2021-10-12 05:11

　　化石燃料是不可再生资源,过度的开采和使用造成了严重的环境问题,发展高效、清洁的可持续新能源成为二十一世纪的重大挑战。新型燃料电池,如质子交换膜燃料电池等具有效率高、排放低、能量密度高等诸多优点,是一种可持续的先进能源技术,收到人们的关注。由于阴极氧还原反应（ORR）的动力学性质十分缓慢,限制了燃料电池的商业化。目前,铂及其合金被认为是最有效的氧还原催化剂。然而,铂是贵金属,储量有限,价格高昂,严重影响了燃料电池的工业化应用。另外,铂基催化剂在甲醇耐受性和耐久性方面的表现差强人意。因此,开发低价、高效、稳定性好的氧还原催化剂成为当前研究热点。氮掺杂的碳基过渡金属（Fe、Co、Ni等）纳米复合材料在催化氧还原反应中表现出极大地潜力,并有望取代Pt/C。近几年来,通过热解金属前驱体、氮源和碳基质的混合物,推进了大量氮掺杂的碳基过渡金属复合材料的合成,这类方法普遍具有成本低方法简单的特点。这类方法为低价、高效的ORR催化剂的设计提供了可能性。设计和构建具有纳米结构的高效氮掺杂的碳基过渡金属纳米复合结构催化剂是一个巨大的进步。在催化剂的设计过程中通过调控催化剂的结构特性（如多孔性、石墨化程度和杂... 

【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校

【文章页数】：102 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

H2/O2燃料电池原理图

10图 1.4 NiO/CoN 纳米线的（a）SEM 和（b）TEM 照片；（c）NiO/CoN 纳米线的的 LSV 曲线，O2饱和的 0.1 M KOH，1600 rpm[82]；（d）NiO/MnO2@PANI 的合成路径；（e）NiO/MnO2@PANI 的 LSV 曲线和（f）稳定性测试，O2饱和的 0.1 M KOH，1600 rpm[83]为了弥补作为 ORR 电催化剂的 Zhentao Cui 等人[84]利用静电纺丝法（以Co(Ac)2，Ni(Ac)2和 PVP 为前驱体在 DMF 溶液中）成功合成了多孔 NiO/NiCo2O纳米管结构。与单一过渡金属氧化物相比，复合氧化物作为 ORR 电催化剂具有诸多额外的优越性，如热稳定性好，导电率高，活性高，电阻低。该 NiO/NiCo2O纳米复合材料表现出独特的多孔管状结构，均匀的界面，并且 NiO 和 NiCo2O4两种组分在纳米尺度上均匀分布。纳米管的直径大小约为 200nm，厚度约为 50nm。

x所示，该催化剂通过两步热解和酸蚀刻法制备，在碱性条件下与 Pt/C 催化剂比较表现出优异的性能，同时，在酸性条件下比目前报道的大多数非贵金属催化剂相比，其催化性能十分优异。Xin Xu 等 人[93]以柚子皮作为碳源， 通过简单的原 位还原法制备(Fe)/Fe3O4/FeS/NGC 复合材料。柚皮由海绵状多孔结构组成，可赋予碳较高的比表面积和更多活性位点。同时，该材料预期将以羟基离子作为主要中间产物，因而显示出更高的 ORR 活性和稳定性。此外，在大表面积的多孔结构与高石墨化程度、高导电性间的协同作用，将有助于提高材料的电催化活性。这项研究突出了 FeS 对 ORR 活性所起的重要作用，并且还讨论了 ORR 可能的反应途径。研究了碳化温度（600-1000℃）对催化剂晶相和结构的影响。该(Fe)/Fe3O4/FeS/NGC复合材料作为阴极催化剂具有很好的 ORR 活性和稳定性，可替代薄膜燃料电池中 Pt 基催化剂的应用。

【参考文献】：
期刊论文
[1]High-performance oxygen reduction catalysts in both alkaline and acidic fuel cells based on pre-treating carbon material and iron precursor[J]. Ping Song,Heather M.Barkholtz,Ying Wang,Weilin Xu,Dijia Liu,Lin Zhuang.  Science Bulletin. 2017(23)
[2]Two-dimensional iron-porphyrin sheet as a promising catalyst for oxygen reduction reaction: a computational study[J]. Gan Luo,Yu Wang,Yafei Li.  Science Bulletin. 2017(19)



本文编号：3431954