钴、氮掺杂多孔碳作为氧还原催化剂的研究

发布时间：2017-06-04 21:22

  本文关键词：钴、氮掺杂多孔碳作为氧还原催化剂的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：燃料电池作为一种高效、环保的能量转化装置而备受关注。燃料电池阴极所用铂基催化剂价格昂贵,限制了其大规模应用。因此开发非贵金属催化剂具有重要意义。本文开发了一种成本低廉、性能优良的非贵金属催化剂,探讨了其催化机理,并组装了燃料电池进行实证。本文以葡萄糖、尿素和硝酸钴为前驱体,通过高温热处理,制备出一种含钴、氮的碳材料,具有催化氧还原活性。研究表明,在催化剂前驱体中添加纳米碳酸钙,可一步制备得到多孔碳催化剂。该催化剂的多孔结构显著提高了氧还原反应的极限电流密度。但是,纳米碳酸钙的加入导致了催化剂氮含量和氧气起始还原电位的降低。采用两步碳化过程中间洗除纳米碳酸钙的方法可以有效提高催化剂氮含量和氧气的起始还原电位,同时进一步提高了氧还原反应的极限电流密度。后续对比实验证实了纳米碳酸钙对催化剂的作用,确认了该三元催化剂所含三元素的必要性。良好的多孔碳结构、钴的存在和较高的氮含量(特别是吡啶氮和石墨氮),协同提供了良好的催化活性。优化热处理温度、升温速率、纳米碳酸钙添加量等条件可以进一步提高催化剂的催化能力。旋转圆盘电极测试表明,该催化剂在酸碱性条件下的极限电流密度都超过了10 wt%Pt/C催化剂,并且在酸碱性条件下该催化剂对直接4电子反应都具有较高的选择性。该催化剂的微结构、表面成分及所含晶体性质也通过电子显微镜、X射线光电子谱、X射线粉末衍射仪等分析测试手段得以研究和讨论。该催化剂被成功应用于直接硼氢化钠燃料电池(DBFC)阴极,所组装的电池在20℃下的最大输出功率达到了80mW cm-2,超过了以10 wt% Pt/C为阴极催化剂的电池性能。对该催化剂进行球磨细化可以减小其粒径,使燃料电池的最大输出功率进一步提升至86.8mW cm-2。
【关键词】：氧还原反应 催化剂 燃料电池 多孔碳 纳米碳酸钙
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 氧还原反应概述12-13
• 1.3 氧还原反应催化剂13-15
• 1.3.1 铂基催化剂13-14
• 1.3.2 非铂基催化剂14-15
• 1.4 非贵金属催化剂15-19
• 1.4.1 过渡金属-氮-碳(M-N-C)三元催化剂15-18
• 1.4.2 氮修饰碳(N-C)催化剂18-19
• 1.4.3 其他原子掺杂碳催化剂19
• 1.5 多孔碳在氧还原催化剂中的应用19-21
• 1.5.1 多孔碳载体的合成方法及在催化剂中的应用19-20
• 1.5.2 纳米碳酸钙在合成多孔碳中的使用20-21
• 1.6 燃料电池概述21-24
• 1.6.1 燃料电池概况21
• 1.6.2 直接硼氢化钠燃料电池21-24
• 1.7 本文的研究背景和研究内容24-26
• 2 实验方法26-32
• 2.1 实验原料26-27
• 2.2 催化剂的合成27
• 2.2.1 无模板的Co-N-C催化剂的合成27
• 2.2.2 以纳米碳酸钙为模板的Co-N-C催化剂的合成27
• 2.2.3 以纳米二氧化硅为模板的Co-N-PC催化剂的合成27
• 2.3 材料的表征27-28
• 2.3.1 X射线衍射(XRD)27-28
• 2.3.2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)28
• 2.3.3 X射线光电子能谱(XPS)28
• 2.3.4 比表面积测试(BET)28
• 2.3.5 热重分析（TGA)28
• 2.4 材料的电化学测试手段及方法28-32
• 2.4.1 循环伏安测试28-29
• 2.4.2 旋转圆盘电极测试29
• 2.4.3 硼氢化钠燃料电池电极的制备29-30
• 2.4.4 硼氢化钠燃料电池的装配30
• 2.4.5 燃料电池的测试30-32
• 3 催化可行性及模板所起到的重要作用32-52
• 3.1 引言32
• 3.2 催化可行性32-36
• 3.3 纳米CaCO_3模板对催化剂的作用36-48
• 3.3.1 模板的一般作用36-39
• 3.3.2 纳米CaCO_3模板的特殊作用39-42
• 3.3.3 酸洗顺序不同所起作用的机理探究42-48
• 3.4 催化剂所含要素的不可或缺性48-51
• 3.5 本章小结51-52
• 4 催化剂性能的优化及讨论52-69
• 4.1 引言52
• 4.2 加入CaCO_3模板量的选择52-55
• 4.3 第一步加热温度的选择55-59
• 4.4 升温速率的选择59-61
• 4.5 第二步加热温度的选择61-63
• 4.6 催化剂的测试表征与讨论63-67
• 4.6.1 进一步的性能测试63-65
• 4.6.2 表征与讨论65-67
• 4.7 本章小结67-69
• 5 催化剂应用于燃料电池的实证69-75
• 5.1 引言69
• 5.2 自制催化剂与铂碳催化剂的对比69-70
• 5.3 对催化剂进行细化处理70-71
• 5.4 电解质膜对电池性能的影响71-73
• 5.5 催化剂粘结剂对电池性能的影响73-74
• 5.6 本章小结74-75
• 6 结论75-77
• 6.1 结论75
• 6.2 主要创新成果75-76
• 6.3 存在的不足和展望76-77
• 参考文献77-82
• 作者简介及在学期间取得的科研成果82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 陈延禧;聚合物电解质燃料电池的研究进展[J];电源技术;1996年01期

2 龙云飞;杨克迪;余兴文;;葡萄糖尿素胶粘剂的合成研究[J];材料研究与应用;2008年04期

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本文编号：422193