含M-N_x基团的聚合物及络合物基氧还原催化剂的研究

发布时间：2020-06-18 04:02

【摘要】：燃料电池是一种新型、绿色环保的能源转换装置,它能将化学能转化成电能。虽然在能源高效利用的研究领域掀起了“燃料电池”研究热潮,但是由于燃料电池的阴极氧还原催化剂材料的严重短缺和价格昂贵的因素,在很大程度上阻碍了燃料电池的应用前景。因此,研发一种新型、高效、价格便宜和储备充足的氧还原催化剂成为燃料电池研究的热门方向。本论文前三个实验探究了负载于碳(Vulcan XC-72)的含氮非贵金属配合物(M-N_x/C)作为氧还原催化剂在中性电解质(0.1 M PBS)中的性能研究,第四个实验是在前三个实验的基础上引入管式炉高温裂解工艺,旨在探究高温对氧还原催化剂的性能的影响,其测试的电解质为0.1 M KOH碱性电解质溶液。在本论文中针对催化剂前体及催化剂的性能进行了如下的测试,其测试方法主要有红外光谱(IR)、热重分析(TGA)、核磁(NMR)、电子扫描电镜(SEM)、X-射线光电子能谱(XPS)、循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、旋转环盘电极测试法(RRDE)、电化学阻抗测试(EIS)。基于RRDE测试获得数据又对催化剂进行了动力学分析来进一步探究在制备的催化剂作用下,氧气被还原的电子转移途径。(1)通过化学聚合法合成含有邻菲罗啉基团和富含吡啶氮的可溶性聚合物PDCPP,并利用简单的方法成功制备了PDCPP/C和Cu-PDCPP/C两种催化剂。研究表明无论是在起始电位、极限电流密度还是电子转移数方面Cu-PDCPP/C催化剂都优于PDCPP/C,并借助于RRDE测试及动力学分析得出在电子转移数(ETN)和H_2O_2产量方面Cu-PDCPP/C与Pt/C(20%)相近,与文献中相同类型的催化剂相比其氧还原催化活性更优越。因此,在所制备的两种催化剂中Cu-PDCPP/C催化剂具有较好的应用前景。(2)在催化剂前体TPBA的基础上成功的制备了碳负载的过渡金属离子配位的氧还原催化剂Cu-TPBA/C。通过物理表征、电化学测试及动力学分析等一系列的测试可知Cu-TPBA/C的催化活性优于TPBA/C催化剂并可与商业化Pt/C相媲美。(3)通过酰化反应合成了含吡啶单元和三唑单元的催化剂前体,标记为PPYTZ,并成功制备了PPYTZ/C、Cu-PPYTZ/C和Fe-PPYTZ/C三种催化剂。NMR、IR数据表明了催化剂前体已成功的制备。电化学测试及动力学分析表明三者的氧还原催化活性排序为Cu-PPYTZ/CFe-PPYTZ/CPPYTZ/C。其中在电子转移数上Cu-PPYTZ/C和Fe-PPYTZ/C这两种催化剂主要是以直接的四电子转移路径,而PPYTZ/C催化剂主要是两电子转移路径。(4)将催化剂前体TPTA依次与金属盐(FeCl_2)和碳粉覆合从而来制得Fe-TPTA/C催化剂,然后将上述催化剂经管式炉高温裂解从而制备Fe-N/C-900催化剂。物理测试表明高温可以改变催化剂的结构,电化学测试及动力学分析可知经高温裂解后催化剂Fe-N/C-900的氧还原活性要明显优于Fe-TPTA/C催化剂。
【学位授予单位】：聊城大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TM911.4

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本文编号：2718661