氧气还原反应催化剂的制备及其电化学性能研究

发布时间：2018-11-16 21:48

【摘要】：作为可持续能源转换系统中最有潜力的技术之一,人们对燃料电池在移动电子设备中的应用抱有很大的期望。但是燃料电池的阴极氧气还原反应动力学缓慢,常常需要施加较大的过电位反应才能发生,极大限制了燃料电池的输出能量。寻找高活性、高稳定性的氧气还原反应催化剂就成了工程师和科学家的重点研究方向。铂基贵金属材料已经被证明是最有效的氧气还原反应催化剂,不幸的是铂在地球上的储量有限、价格昂贵,加上其在阴极上的载量较多,极大制约了燃料电池的大规模发展。另外,铂基材料还受到其他因素的制约,如甲醇中毒引起的性能下降以及极端电化学环境下的不稳定性。为解决上述问题,本论文将大量的研究投入到筛选完全不含有铂或者只含有少量铂的高效、稳定的氧气还原反应催化剂。主要研究内容如下：1)利用简便的电化学方法将铂纳米颗粒沉积到二氧化钛的介孔薄膜中,研究发现铂纳米颗粒的生长主要是三维连续成核模式。由于二氧化钛与铂之间强烈的相互作用,所制备的Pt/TiO2催化剂对氧气显示出良好的催化效果以及较强的稳定性。2)利用石墨烯氧化物(GO)带负电,聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)带正电的特性,运用层层静电组装的方法制备[PDDA@GO]n薄膜；最后用电化学手段将GO转换成电化学还原石墨烯氧化物(ERGO),得到[PDDA@ERGO]n薄膜。作为非金属催化剂,该[PDDA@ERGO]n薄膜在碱性溶液中具有很优异的氧气催化性能以及极好的抗甲醇中毒本领。研究发现[PDDA@ERGO]n薄膜的高活性来自于PDDA与ERGO之间的相互协同作用。重要的是,[PDDA@ERGO]n薄膜的制备非常简单,可精确调控膜的厚度；制备过程很快,节约能量,不使用有毒害作用的化学试剂。3)利用一种经济、可规模化方法制备了高活性的CoO@Co/N-C电催化剂。当转速为2500 rpm时,该催化剂在氧气饱和的0.1 M KOH溶液中的起波电位为0.99 V(vs. RHE);另外在0.3 V电压下,该催化剂的极限电流密度为7.07 mA cm-2,所有的数值与商业化的Pt/C相当。氮气吸脱附测试发现CoO@Co/N-C催化剂具有高的比表面积以及介孔结构,有利于活性中心与氧气分子的接触；XPS、XRD、TEM测试证实CoO@Co/N-C催化剂中含有N-C、Co-N-C、CoO@Co结构,正是它们构成了催化剂的活性中心。4)运用制备CoO@Co/N-C催化剂类似的方法,只是将氯化钴换成了氯化铁,我们将铁-邻二氮菲络合物负载到高表面积的碳黑上,然后高温热解制备出Fe3O4@Fe/N-C电催化剂。当催化剂的载量为0.2 mg cm-2,转速为1600rpm,Fe3O4@Fe/N-C在0.1 M KOH溶液中的极限电流密度达到了5.79 mA cm-2,半波电位为0.859 V (vs. RHE)。和CoO@Co/N-C一样,在Fe3O4@Fe/N-C催化剂中也发现了N-C、Fe-N-C、Fe3O4@Fe结构,同样是它们之间的相互作用促进了氧气在该催化剂上的还原。5)利用水热法合成了碳螺旋管与四氧化三锰的混合物。由于碳材料在碱性溶液中可有效的将氧气转化成过氧化氢根离子,而四氧化三锰则可以将过氧化氢根离子转化成氢氧根离子,因此制备出的HCNT/Mn3O4材料显示出较强的氧气还原催化能力且氧气在催化剂上主要以四电子途径发生反应。进一步的空气退火过程可提高材料的活性及稳定性。
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【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4

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