有序介孔碳负载过渡金属氧化物催化剂的合成及电催化性能研究

发布时间：2017-08-31 05:15

  本文关键词：有序介孔碳负载过渡金属氧化物催化剂的合成及电催化性能研究

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【摘要】：过渡金属氧化物价格低廉,制备简单,来源广泛,是燃料电池中阴极催化剂的重要研究对象,具有电催化氧还原和析氧催化活性。本论文首先以有序介孔二氧化硅(SBA-15)为模板,采用纳米浇注的方法合成有序介孔碳(MC)。以有序介孔碳为载体,采用水热合成的方法,合成有序介孔碳与过渡金属氧化物(单元、双元、三元)的纳米复合物,并研究其氧气还原(ORR)或氧气析出(OER)电催化性能。本论文的主要研究结果如下：以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂,采用水热合成法制备有序介孔碳与过渡双金属氧化物CoFe2O4(CFO)的纳米复合物,并研究不同热处理温度对其催化性能的影响。经过不同温度热处理后,400℃下热处理的样品(CFO/MC-400)的样品表现出最好的电催化ORR性能,显著优于CFO和MC,同时,CFO/MC-400也表现出优异的电催化OER特性。进一步分析表明：CFO/MC-400纳米复合物的比表面积高达150 m2 g1, CFO纳米颗粒在MC上均匀分布,且MC原有的有序介孔结构未遭破坏。同时,CFO/MC-400纳米复合物在ORR和OER催化过程中都表现出很高的稳定性,并优于商用Pt/Co CFO/MC-400纳米复合物的优异双功能催化活性,主要得益于纳米复合物的有序介孔结构,以及CFO与MC之间的强烈耦合作用。采用水热合成法制备NixCo1-xFe2O4纳米颗粒与MC的纳米复合物,在400℃下对纳米复合物进行热处理,研究不同镍钴比例对纳米复合物电催化ORR性能的影响。测试结果表明：随着Ni元素的含量逐渐降低,NixCo1-xFe2O4纳米复合物的ORR催化活性不断提高,CoFe2O4/MC表现出最好的催化活性以及最高的稳定性。当纳米复合中存在Ni元素时,纳米颗粒在MC上呈团聚现象,团聚的纳米颗粒会覆盖范围活性位点,从而降低纳米复合的催化活性。同时,团聚的纳米颗粒在ORR催化过程中容易从MC上脱落,降低纳米复合物的催化稳定性。以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂,采用水热合成法制备MC与过渡单金属氧化物CoO的纳米复合物,研究表面活性剂PVP不同添加量对其氧气还原催化性能的影响。以PVP作为表面活性剂,CoO纳米颗粒在MC上均匀分布。当表面活性剂PVP添加量为1.5 g时,所制备的CoO/MC-1.5纳米复合物的比表面积高达290.5 m2 g-1,使得更多的催化活性位点暴露在表面,从而有助于提高其催化活性。CoO/MC-1.5纳米复合物在ORR反应过程中表现出较正的起始电位以及较高的极限电流密度,其催化过程是一个直接4电子转移途径。除此之外,CoO/MC-1.5纳米复合物在ORR过程中也表现出较高的稳定性。
【关键词】：燃料电池 水热合成 有序介孔碳 过渡金属氧化物 氧气还原 氧气析出
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-23
• 1.1 燃料电池的简介9-14
• 1.1.1 燃料电池的分类及工作原理9-11
• 1.1.2 燃料电池的特点11-12
• 1.1.3 燃料电池的研究进展与面临的问题12-14
• 1.2 燃料电池阴极催化剂的研究现状14-21
• 1.2.1 催化原理14-15
• 1.2.2 氧气还原与氧气析出催化反应15-16
• 1.2.3 燃料电池阴极催化剂的分类16-18
• 1.2.4 燃料电池阴极催化剂载体的分类18-21
• 1.3 选题意义与研究内容21-23
• 第二章 实验材料、仪器、测试方法及原理23-29
• 2.1 实验材料23-24
• 2.2 材料表征24-25
• 2.2.1 X射线衍射分析24
• 2.2.2 热重分析24-25
• 2.2.3 形貌结构分析25
• 2.2.4 氮气吸脱附测试25
• 2.3 电催化性能测试25-29
• 2.3.1 工作电极的制备26
• 2.3.2 电极的组装26
• 2.3.3 氧气还原催化性能测试(ORR)26-27
• 2.3.4 氧气析出催化性能测试(OER)27-29
• 第三章 CoFe_2O_4/有序介孔碳纳米复合催化剂的合成及双功能催化性能研究29-45
• 3.1 引言29
• 3.2 有序介孔碳的合成29-30
• 3.3 CoFe_2O_4/有序介孔碳纳米复合材料的制备30
• 3.4 CoFe_2O_4/有序介孔碳纳米复合材料的表征30-37
• 3.4.1 材料的物相分析30-32
• 3.4.2 材料的形貌分析32-34
• 3.4.3 XPS测试34-35
• 3.4.4 氮气吸脱附测试35-37
• 3.5 CoFe_2O_4/有序介孔碳纳米复合材料的催化性能37-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第四章 Ni_xCo_(1-x)Fe_2O_4/有序介孔碳纳米复合催化剂的合成及氧还原催化性能研究45-59
• 4.1 引言45
• 4.2 Ni_xCo_(1-x)Fe_2O_4/有序介孔碳纳米复合材料的制备45-46
• 4.3 Ni_xCo_(1-x)Fe_2O_4/有序介孔碳纳米复合材料的表征46-52
• 4.3.1 材料的物相分析46-47
• 4.3.2 材料的形貌分析47-48
• 4.3.3 XPS测试48-50
• 4.3.4 氮气吸脱附测试50-52
• 4.4 Ni_xCo_(1-x)Fe_2O_4/有序介孔碳纳米复合材料的催化性能52-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 CoO/有序介孔碳纳米复合催化剂的合成及氧还原催化性能研究59-71
• 5.1 引言59
• 5.2 CoO/有序介孔碳纳米复合材料的制备59-60
• 5.3 CoO/有序介孔碳纳米复合材料的表征60-64
• 5.3.1 材料的物相分析60
• 5.3.2 材料的形貌分析60-61
• 5.3.3 XPS测试61-63
• 5.3.4 氮气吸脱附测试63-64
• 5.4 CoO/有序介孔碳纳米复合材料的氧气还原催化性能64-69
• 5.5 本章小结69-71
• 第六章 结论与展望71-73
• 6.1 结论71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-86
• 附录86-88
• 致谢88-89

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