碳载过渡金属氨基比林类催化剂在碱性介质中的氧还原性特性及机制研究
本文选题:燃料电池 + 氧还原反应 ; 参考:《东华大学》2015年硕士论文
【摘要】:人类正面临能源危机和环境污染问题,聚合物电解质膜燃料电池具有能量转换效率高和零污染两项重要优势,长远来看其具有替代内燃机成为新型动力源的发展潜力。由于目前燃料电池阴极氧还原催化剂仍需采用贵金属Pt,成本问题成为制约燃料电池商业化应用的关键因素。因此制备可替代Pt系催化剂的新型非贵金属催化剂成为燃料电池发展的突破口,其中碳载氮掺杂催化剂表现出最高的氧还原活性和稳定性,受到研究者的广泛青睐。 本论文以商业炭黑BP2000为载体,含氮有机物氨基比林为氮源,以多种过渡金属盐为金属前躯体制备了一系列碳载金属氨基比林催化剂(M-Apyr/C)作为研究对象,通过循环扫描伏安法(CV)、线性扫描伏安(LSV)、旋转环盘电极技术(RRDE)等电化学测试手段对这些催化剂在碱性介质中的氧还原催化活性和电极动力学进行了详尽研究。在此基础上结合X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等物理表征方法分析了促进或抑制氧还原活性及选择性的各种因素,从而进一步揭示M-Apyr/C催化剂氧还原活性的作用机制。 首先,通过对比碳载体种类对M-Apyr/C氧还原活性的影响,,选择BP2000作为碳载体;通过碳载体组分优化,得到载体在整个催化剂中所占的质量比为60%时制得催化剂氧还原活性最高;通过金属载量优化,得到金属载量为5%时制得催化剂氧还原活性最高;通过未经解热及不同温度热解后催化剂活性比对,得到M-Apyr/C催化剂的最佳热解温度为700℃。 其次,分析了无金属催化剂C-Metal free,及采用Mn、Fe、Co、Ni、Cu五种金属掺杂的C-Mn、C-Fe、C-Co、C-Ni、C-Cu催化剂。得到金属添加对于催化剂氧还原性能的提升顺序为Co Fe~CuMn Ni,对催化选择性的提升顺序为Fe Mn Co Cu Ni。结合XRD、TEM、XPS分析得出以下四点结论:(ⅰ)五种金属热解过程中与硫结合的程度排序为Mn、Fe Co Ni、Cu;(ⅱ)热解过程中N、S在与金属元素结合时存在竞争机制,金属与S结合会阻碍其与N的结合;(ⅲ)催化剂表面金属元素的分散、分布状态,以及金属与载体结合程度对催化活性产生重要影响;(ⅳ)金属及吡啶氮形成的M-Nx/C结构是构成M-Apyr/C催化剂的活性中心位结构。 随后中选用催化选择性最高的Fe和氧还原活性最高的Co作为目标金属,分别研究Fe-Apyr/C及Co-Apyr/C的阴离子掺杂效应。对于所制备研究的四种Fe-Apyr/C催化剂,氧还原催化活性由高到低遵循C-Fe(NO3)3 C-FeAc C-FeSO4 C-FeCl2的规律,催化选择性排列为C-FeAc C-Fe(NO3)3 C-FeSO4 C-FeCl2。对于所制备的三种Co-Apyr/C催化剂,氧还原活性和选择性均遵循C-Co(NO3)2C-CoSO4~C-CoCl2的规律。对于不同种阴离子对催化剂表面结构、催化活性及选择性的影响主要得出两点结论:(ⅰ)NO3-离子能够促进金属在催化剂表面的分散以及金属与载体和氮源的结合,进而促进M-Nx/C活性结构的形成,提高M-Apyr/C催化剂催化氧还原活性及选择性。(ⅱ)SO42-离子掺杂会导致热解过程的N、S竞争作用,抑制M-Nx/C活性结构的形成,从而造成M-Apyr/C催化剂氧还原活性的下降。 最后以C-Co(NO3)2为目标催化剂,研究了其半电池氧还原反应的载量效应,结果表明,400μg/cm2载量下电极氧还原活性最高,600μg/cm2载量下催化剂的选择性最高。经循环伏安10000圈加速老化测试后,催化剂性能仅下降31mV,表明C-Co(NO3)2具有优良的耐久稳定性。进一步制备膜电极(MEA)进行单电池测试表明:以C-Co(NO3)2催化剂作为阴极所制备MEA碱性条件室温下的发电功率为36.5mW/cm2,接近本实验室在相同发电条件下得到的商业铂碳催化剂发电功率。
[Abstract]:Human beings are facing the problems of energy crisis and environmental pollution. Polymer electrolyte membrane fuel cells have two important advantages, such as high energy conversion efficiency and zero pollution. In the long run, it has the potential to replace the internal combustion engine to become a new power source. Because of the current fuel cell cathode oxygen and the original catalyst still need to use the precious metal Pt, the cost problem As a key factor restricting the commercial application of fuel cells, a new non noble metal catalyst, which can replace the Pt catalyst, has become the breakthrough point of the development of fuel cell. Carbon carrying nitrogen doping catalyst shows the highest activity and stability of oxygen reduction, which is widely favored by researchers.
In this paper, a series of carbon loaded amino pyrine catalysts (M-Apyr/C) were prepared by using commercial carbon black BP2000 as the carrier and nitrogen organic substance amino billing as the nitrogen source. A series of carbon borne amino pyrine catalysts (CV), linear sweep voltammetry (LSV), rotating ring disk electrode technology (RRDE) and other electrochemical methods were used as the metal precursors. The catalytic activity and electrode kinetics of these catalysts in alkaline medium were studied in detail. On this basis, various factors, such as X ray diffraction (XRD), transmission electron microscope (TEM), X ray photoelectron spectroscopy (XPS) and other physical characterization methods, were used to analyze the factors of promoting or inhibiting the activity and selectivity of oxygen reduction. The mechanism of oxygen reduction activity of M-Apyr/C catalyst was further revealed.
First, by comparing the effect of the type of carbon carrier on the M-Apyr/C oxygen reduction activity, BP2000 is selected as the carbon carrier, and the catalyst oxygen redox activity is the highest when the mass ratio of the carrier in the whole catalyst is 60%, and the catalyst oxygen is obtained when the metal load is 5% through the optimization of the carbon carrier component. The activity of M-Apyr/C catalyst is the highest, and the optimum pyrolysis temperature of the catalyst is 700 C by comparing the catalyst activity without pyrolysis and pyrolysis at different temperatures.
Secondly, the five metals doped Mn, Fe, Co, Ni, Cu are used for the five metals doped C-Mn, C-Fe, C-Co, C-Ni, and C-Cu catalysts. The order of promotions for the catalyst oxygen reduction is obtained, and the following four points are obtained. Conclusion: the degree of sulfur binding with sulfur in the five metal pyrolysis processes is Mn, Fe Co Ni, Cu; (II) N, S has a competitive mechanism in the process of binding with metal elements during the pyrolysis process, and the combination of metal and S hinders its combination with N; (III) the dispersion and distribution of metal elements on the surface of the catalyst and the combination of metal and carrier to catalysis The M-Nx/C structure formed by metal and pyridine nitrogen is the active center structure of M-Apyr/C catalyst.
Subsequently, the highest selective Fe and Co with the highest oxygen reduction activity were selected as target metals, and the anion doping effects of Fe-Apyr/C and Co-Apyr/C were studied respectively. For the four Fe-Apyr/C catalysts studied, the catalytic activity of oxygen reduction from high to low followed C-Fe (NO3) 3 C-FeAc C-FeSO4 C-FeCl2 and catalyzed selective arrangement. For the three Co-Apyr/C catalysts prepared by C-FeAc C-Fe (NO3) 3 C-FeSO4 C-FeCl2., the activity and selectivity of oxygen reduction follow the law of C-Co (NO3) 2C-CoSO4~C-CoCl2. The effects of different kinds of anions on the surface structure, catalytic activity and selectivity of the catalyst are mainly concluded: NO3- ions can promote metal to be promoted. The dispersion of chemical agent surface and the combination of metal with carrier and nitrogen source promote the formation of M-Nx/C active structure and increase the activity and selectivity of M-Apyr/C catalyst to catalyze oxygen reduction. (II) the doping of SO42- ions leads to the N, S competitive action of the pyrolysis process and the inhibition of the formation of M-Nx/C active structure, resulting in the oxygen reduction activity of the M-Apyr/C catalyst. The decline.
At last, C-Co (NO3) 2 was used as the target catalyst to study the load effect of the oxygen reduction reaction in the semi battery. The results showed that the oxygen reduction activity of the electrode was the highest under the 400 g/cm2 load, and the selectivity of the catalyst under the load of 600 mu g/cm2 was the highest. The performance of the catalyst decreased by 31mV after the accelerated aging test of 10000 cycles of cyclic voltammetry, indicating that C-Co (NO3) 2 had excellent performance. The single cell test of the further preparation of membrane electrode (MEA) shows that the power generation power of C-Co (NO3) 2 catalyst as cathode at room temperature is 36.5mW/cm2, which is close to the power generation of commercial platinum carbon catalyst obtained under the same power generation condition.
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O643.36;TM911.4
【共引文献】
相关期刊论文 前10条
1 马文涛;唐浩林;潘牧;邬静杰;;酞菁类化合物用于DMFC催化剂的研究进展[J];电池;2007年05期
2 张新朋,蒋淇忠,马紫峰;聚合物电解质燃料电池阴极非贵金属电催化剂[J];电源技术;2002年03期
3 唐致远,宋世栋,刘建华;质子交换膜燃料电池电极催化剂的研究进展[J];电源技术;2003年01期
4 李忠芳;张燕;王素文;王宇新;于先进;;TDMNPPFe(Ⅱ)/C的制备及电催化氧还原性能研究[J];电源技术;2009年10期
5 陈昌国;蔡慧;司玉军;;氧还原催化剂Fe-N/C的制备及催化性能[J];电源技术;2012年02期
6 陈胜洲;杨伟;王松清;刘自力;林维明;;氮掺杂碳气凝胶负载钴电催化剂的性能研究[J];材料研究与应用;2010年04期
7 冯西平;张宏;杭祖圣;;g-C_3N_4及改性g-C_3N_4的光催化研究进展[J];功能材料与器件学报;2012年03期
8 孙晓岩;王锐;苏党生;;纳米碳材料非金属催化的研究进展[J];催化学报;2013年03期
9 杨立军;赵宇;陈盛;吴强;王喜章;胡征;;碳基无金属氧还原电催化剂研究的新进展(英文)[J];催化学报;2013年11期
10 严祥辉;张贵荣;徐柏庆;;聚苯胺衍生Fe-N-C催化剂在碱性电解质中对氧还原反应的催化性能(英文)[J];催化学报;2013年11期
相关会议论文 前7条
1 陈胜洲;杨伟;王松清;刘自力;林维明;;氮掺杂碳气凝胶负载钴电催化剂的性能研究[A];低碳技术与材料产业发展研讨会论文集[C];2010年
2 姚毅;杨启华;;基于碳纳米管@聚亚胺核-壳结构的高活性氧还原催化剂[A];第十四届全国青年催化学术会议会议论文集[C];2013年
3 熊中平;司玉军;张英;李敏娇;;取代基修饰碳纳米管电催化氧还原反应活性研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第23分会:电催化与洁净能源电化学转化[C];2014年
4 梁方圆;冯文英;;微生物燃料电池处理废纸造纸废水的初步研究[A];中国造纸学会第十六届学术年会论文集[C];2014年
5 卿昕;乔锦丽;;一种新型的碱性燃料电池用碳载四磺酸基铜酞菁(CuTSPc/C)催化剂[A];中国环境科学学会学术年会光大环保优秀论文集(2014)[C];2014年
6 石晶晶;乔锦丽;;无金属氮硫双掺杂介孔碳氧还原催化剂的制备及其催化机理研究[A];2014中国环境科学学会学术年会(第十二章)[C];2014年
7 卿昕;乔锦丽;;一种新型的碱性燃料电池用碳载四磺酸基铜酞菁(CuTSPc/C)催化剂[A];2014中国环境科学学会学术年会(第十二章)[C];2014年
相关博士学位论文 前10条
1 莫光权;功能化碳纳米管材料在微生物燃料电池中的应用研究[D];华南理工大学;2010年
2 李海涛;酶电催化与多相电Fenton处理难降解有机物的研究[D];天津大学;2011年
3 李明芳;铂电极上氧还原机理与动力学的研究[D];中国科学技术大学;2011年
4 周振华;直接甲醇燃料电池:高分散高负载铂基电催化剂的制备规律研究[D];中国科学院研究生院(大连化学物理研究所);2003年
5 童东革;锂离子电池正极材料LiCo_(1-x)Ni_xO_2的合成、改性与电化学性能研究[D];四川大学;2005年
6 张云河;质子交换膜燃料电池阴极催化剂及电极过程动力学研究[D];中南大学;2004年
7 姜鲁华;直接醇类燃料电池阳极铂基电催化剂的研究[D];中国科学院研究生院(大连化学物理研究所);2005年
8 谢先宇;金属卟啉氧还原催化剂的制备、表征及电化学特性研究[D];上海交通大学;2007年
9 张生生;质子交换膜燃料电池催化剂及低温环境适应性研究[D];北京交通大学;2007年
10 秦海英;聚吡咯修饰碳载氢氧化钴作为直接硼氢化钠燃料电池催化剂的研究[D];浙江大学;2009年
相关硕士学位论文 前10条
1 李静;质子交换膜燃料电池膜电极性能及耐久性研究[D];武汉理工大学;2011年
2 张永亮;相平衡主导的气液固生长机理新证据及CrSi_2纳米材料的可控制备和场发射性能[D];南京大学;2011年
3 史童男;钨、硼、氮掺杂改性纳米碳纤维及其氧还原活性的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 胡欣欣;制备条件对Co-PPy-TsOH/C作为氧还原催化剂性能的影响[D];华东理工大学;2012年
5 魏日兵;碳原子线对于甲醇电化学氧化的作用[D];南京师范大学;2007年
6 刘淑珍;卟啉类化合物在直接甲醇燃料电池催化剂中的应用研究[D];北京工业大学;2007年
7 邓选英;碳载金属卟啉催化剂及其催化性能的研究[D];上海交通大学;2008年
8 李大双;Ni_(core)-Pt_(shell)纳米粒子的制备及其电催化氧还原性能研究[D];太原理工大学;2008年
9 王旭涛;新型金属酞菁配合物直接甲醇燃料电池阴极催化剂的制备[D];山东理工大学;2009年
10 赵伟利;碳载钴酞菁催化剂的制备及其氧还原催化性能研究[D];中南大学;2010年
本文编号:1775164
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/1775164.html