直接硼氢化物燃料电池金基阳极催化剂的制备及性能研究

发布时间：2017-03-29 15:28

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【摘要】：直接硼氢化物-过氧化氢燃料电池(DBHFC)是以硼氢化钠(Na BH4)的碱性溶液为燃料,以酸性H_2O_2为氧化剂的一种燃料电池,具有理论开路电压高(3.01 V)、理论能量密度大(9.3 Wh g~(-1))、燃料存储运输方便、产物无污染等优点,受到了广泛的关注。理论上,B H4—在阳极的直接氧化为8e-过程,但实际上,由于B H4—易于水解而释放出氢气,不仅降低了燃料的利用率,而且会产生一定的安全隐患。因此,开发具有高选择性和高催化活性的阳极催化剂,成为研究D BHFC的关键性问题。贵金属A u对BH4—水解反应的催化作用较低,转移的电子数接近于8,但A u对BH4—的电催化氧化反应动力学较慢,单独作为D BHFC的阳极催化材料性能欠佳。为提高A u的催化活性,本文通过添加过渡金属,采用反相微乳液法制备了含A u的双组分复合催化剂,并对所制备的样品进行了物理表征和电化学测试技术研究。首先,采用反相微乳液两步还原法制备了一系列不同比例的核壳型Co@Au/C催化剂,通过XRD、TEM等测试对粒子的尺寸和形貌进行了物理表征,通过C V、LSV、EIS、CP、CA和电池测试等手段进行了电化学分析。物理表征的结果表明,C o@Au/C是粒径约为13.4 nm的核壳型纳米粒子。电化学测试表明,C o@Au/C催化剂和Au/C催化剂有相似的反应机理,而在所制备的催化剂中,Co_4@Au_1/C的性能最好,其Tafel斜率值最小,为0.25;电荷转移电阻相对最低,为2.310Ωcm~2;此外,20℃时,Co4@Au_1/C用作D BHFC的阳极催化剂,得到的最大功率密度达102.4 m W cm~(-2),是Au/C最大功率密度的2.14倍。其次,用反相微乳液两步和一步还原法分别制备了不同比例的一系列核壳型C u@Au/C和合金型Cu-Au/C催化剂。通过物理表征,可知这两类纳米粒子的粒径基本接近,在15~17 nm范围内。电化学测试结果表明,Cu_3@Au_1/C和Cu_4-Au1/C在相应系列的双金属催化剂中,有着最好的催化性能,且C u4-Au1/C对BH_4—电催化氧化的性能更好。此外,将Cu_3@Au_1/C和Cu_4-Au_1/C分别用作DBHFC的阳极催化剂,所得的最大功率密度为71.4m W cm~(-2)和77.1 m W cm~(-2),进一步说明,C u_4-Au_1/C组装的电池性能优于Cu_3@Au_1/C的。本文制备出的双金属核壳型和合金型催化剂对B H4—氧化反应均表现出优于单金属的电催化氧化性能,这是由双金属催化剂特殊的电子效应导致的。对于核壳结构,在一定的壳层厚度时,核心金属对壳层金属的d轨道产生诱导效应,增大了壳层金属的d轨道空缺率,从而增大了BH4—在金属表面的吸附,提高了催化剂的活性。对于合金型C u-Au/C催化剂,过渡态金属C u的掺杂改变了Au的电子状态,高电负性的Au原子从邻近的Cu原子处得到电子,使C u-Au双金属间产生协同催化作用,从而增大了催化剂的催化活性。而实验结果表明同种两金属组成的合金型催化剂优于核壳型催化剂,说明双金属间的协同效应对B H4—氧化所起的作用大于增加壳层金属d轨道空缺率起的作用。
【关键词】：直接硼氢化物燃料电池 BH_4~—电氧化 阳极催化剂 核壳型 合金型
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 引言11
• 1.2 直接硼氢化物燃料电池简述11-14
• 1.2.1 直接硼氢化物燃料电池研究背景11-12
• 1.2.2 直接硼氢化物燃料电池的工作原理12-13
• 1.2.3 直接硼氢化物燃料电池存在的问题13-14
• 1.3 直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂研究进展14-21
• 1.3.1 贵金属催化剂14-19
• 1.3.2 非贵金属催化剂19-20
• 1.3.3 储氢合金20-21
• 1.4 核壳型与合金型催化剂21-23
• 1.4.1 概述21
• 1.4.2 核壳型催化剂研究进展21-22
• 1.4.3 合金型催化剂研究进展22-23
• 1.5 本论文的研究工作23-25
• 1.5.1 研究意义23
• 1.5.2 研究内容23-25
• 第二章 实验部分25-31
• 2.1 实验试剂及仪器25-26
• 2.1.1 实验试剂25-26
• 2.1.2 实验仪器26
• 2.2 实验26-27
• 2.2.1 碳粉的预处理26
• 2.2.2 催化剂的制备26
• 2.2.3 工作电极的预处理和制备26-27
• 2.3 催化剂的物理表征27
• 2.3.1 X射线衍射27
• 2.3.2 透射电镜27
• 2.4 催化剂的电化学表征27-31
• 2.4.1 电化学实验装置27-28
• 2.4.2 循环伏安测试28
• 2.4.3 线性伏安测试28-29
• 2.4.4 交流阻抗测试29
• 2.4.5 计时电位测试29
• 2.4.6 计时电流测试29
• 2.4.7 电池性能测试29-31
• 第三章 碳载核壳型Co@Au阳极催化剂对BH_4~-电氧化性能的研究31-47
• 3.1 前言31
• 3.2 催化剂的制备31-32
• 3.3 催化剂的物理表征32-34
• 3.3.1 Au/C和Co@Au/C的XRD表征分析32-33
• 3.3.2 Co_4@Au_1纳米粒子TEM表征结果33-34
• 3.4 催化剂的电化学测试结果及讨论34-44
• 3.4.1 循环伏安曲线34-36
• 3.4.2 Co@Au/C和Au/C催化剂上BH_4~-电氧化过程动力学参数测定36-38
• 3.4.3 交流阻抗研究38-41
• 3.4.4 计时电位测试41-42
• 3.4.5 计时电流测试42-43
• 3.4.6 电池性能测试及结果43-44
• 3.5 本章小结44-47
• 第四章 碳载核壳型Cu@Au阳极催化剂对BH_4~-电氧化性能的研究47-61
• 4.1 前言47
• 4.2 催化剂的制备47-48
• 4.3 催化剂的物理表征48-50
• 4.3.1 Au/C和Cu@Au/C催化剂的XRD表征分析48-49
• 4.3.2 Cu3@Au_1/C纳米粒子TEM表征结果49-50
• 4.4 催化剂的电化学测试结果及讨论50-59
• 4.4.1 循环伏安曲线50-51
• 4.4.2 Cu@Au/C和Au/C催化剂上BH_4~-电氧化过程动力学参数设定51-53
• 4.4.3 交流阻抗研究53-56
• 4.4.4 计时电流测试56-57
• 4.4.5 电池性能测试及结果57-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第五章 碳载合金型Cu-Au/阳极催化剂对BH_4~-电氧化性能的研究61-75
• 5.1 前言61
• 5.2 催化剂的制备61-62
• 5.3 催化剂的物理表征62-64
• 5.3.1 Au/C和Cu-Au/C的XRD表征分析62-63
• 5.3.2 Cu4-Au_1/C纳米粒子TEM表征结果63-64
• 5.4 催化剂的电化学测试结果及讨论64-72
• 5.4.1 循环伏安曲线64-65
• 5.4.2 Cu-Au/C和Au/C催化剂上BH_4~-电氧化过程动力学参数测定65-67
• 5.4.3 交流阻抗研究67-70
• 5.4.4 计时电流测试70-71
• 5.4.5 电池性能测试及结果71-72
• 5.5 本章小结72-75
• 第六章 核壳型Cu@Au/C与合金型Cu-Au/C催化剂性能比较75-79
• 6.1 前言75
• 6.2 催化剂的制备75
• 6.3 核壳型Cu@Au/C与合金型Cu-Au/C催化剂电化学性能比较75-78
• 6.3.1 循环伏安曲线75-76
• 6.3.2 计时电流测试76-77
• 6.3.3 电池性能测试及结果77-78
• 6.4 本章小结78-79
• 第七章 结论与建议79-81
• 7.1 结论79-80
• 7.2 建议80-81
• 参考文献81-89
• 致谢89-91
• 硕士期间发表的学术论文91

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10 毛示e，

本文编号：274822