以核糖为碳源的非贵金属氧还原催化剂研究

发布时间：2018-04-01 13:03

  本文选题：质子交换膜燃料电池　切入点：氧还原　出处：《南京大学》2017年硕士论文

【摘要】：在许多能量转换和储存装置中,氧还原反应oxygen reduction reaction(ORR)是重要的反应,其中燃料电池是最具代表性的。但是由于燃料电池需要铂或铂基材料作为催化剂,因此它的成本是一个很大的缺点。因此为了降低电池成本,实现燃料电池的商业化发展,必须寻找可以替代铂的廉价的高效的氧还原催化剂。在非铂催化剂的研究过程中,基于掺氮石墨烯材料的催化剂成本低廉,性能优越,是一种被认为有希望取代铂的新型催化剂。本文研究了一种制备掺氮石墨烯材料新方法。利用发生在氨基和羰基之间的美拉德反应,焦糖化前驱体作为热解的预反应,之后将焦糖混合于熔融盐中进行二次热解,一次氮气,一次氨气。这样合成的掺氮石墨烯材料比表面大并且具有大量微孔,催化剂表面的活性位点密度也得以提高,从而提高了催化剂的氧还原性能。并且经过二次高温热解之材料有着较好的热稳定性和导电性。首先,我们利用核糖与氯化铵作为前驱体,氯化钠、氯化钾作为混合盐来制备掺氮石墨烯催化剂。制备出的催化剂为不含金属的多孔掺氮石墨烯microporous n-graphene(MNG)。该催化材料的表面形态是微孔氮掺杂石墨烯,BET分析特征表明最高的比表面达1261m2·g-1,并且具有大量微孔。这种微孔结构提供了众多的缺陷,产生大量的活性位点,同时有利于O2的扩散,从而提高掺杂石墨烯的氧还原反应性能和微孔氮稳定性。因此,当作为燃料电池的阴极材料,燃料电池的功率密度在1个大气背压下达到547 mW·cm-2,并且在250小时后仅下降12.5%,稳定性好。该类催化剂在无金属氧还原反应催化剂中具有良好的性能,是有望成为商用的氧还原反应催化剂。在碳材料中,碳纳米管Carbon nanotube(CNT)也具有高的比表面积,高的结晶性,优异的导电性和高的电化学耐腐蚀性,有很大潜力作为优秀催化剂的支撑材料。Fe-N-C掺杂的CNT催化剂在酸性介质中表现出了很强的ORR活性。CNT的氨热解处理可以导致生长纳米管必须的Fe原子在各个CNT表面上。CNT上的孔结构应该能提高O2、质子和水的质量传输来提高质子燃料电池的功率密度。为了提高催化剂的性能,合成碳纳米管支撑的催化剂,我们在实验步骤中加入铁盐前驱物以合成碳纳米管。通过改变前驱物中铁元素的量来探索催化剂形貌和性能的改变。从SEM、TEM表征发现,当加入铁盐时,催化剂的形貌会从纳米片变为碳纳米管。经过拉曼光谱的分析,发现ORR性能最好的催化剂的D峰与G峰的比值ID/IG为0.98,微孔缺陷较多,这证明催化剂的活性位点也多,有利于ORR的性能提高。XRD的表征发现合成的催化剂中的碳多为无定形碳,在碳材料的催化剂中,无定形碳比石墨碳具有更好的活性与稳定性。电化学表征发现ORR性能最好的催化剂具有最高的起始电位0.95V,在经过10100次循环后,电势降也只下降了 38mV。该催化剂的氧还原性能较好,有望作为铂催化剂替代的用于燃料电池商业化。
[Abstract]:A new type of catalyst for preparing nitrogen - doped graphene material is prepared by using ribose and ammonium chloride as precursor , sodium chloride and potassium chloride as precursor , sodium chloride and potassium chloride as mixed salt . The characterization of XRD showed that the carbon in the synthesized catalyst was amorphous carbon . In the catalyst of the carbon material , the amorphous carbon had better activity and stability than the graphite carbon . The electrochemical characterization showed that the best catalyst had the highest initial potential of 0.95 V . After 10100 cycles , the potential drop was only 38 mV . The oxygen reduction property of the catalyst was good , which is expected to be used as a platinum catalyst for the commercialization of fuel cells .

【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;TM911.4
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本文编号：1695670