二维纳米片层材料的制备及其对乙醇电催化性能研究
发布时间：2020-09-03 17:51
由于全球化石能源资源的日益枯竭和环境污染问题的日益加剧,急需人们去寻找清洁、高效的新型环保能源。与化石能源相比,燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置,由于其清洁、高效的特点,在近年来得到前所未有的发展。直接醇类燃料电池作为一类新型燃料电池,以通常的简单醇为燃料,具有燃料来源广泛、价格低廉、便于携带等优点,因此在电源和催化等众多领域被广泛关注与重点研究。目前,燃料电池的成本和耐久性问题是制约直接醇类燃料电池的瓶颈,其中催化剂是最关键的因素之一。随着催化剂的不断研究和应用,为了降低催化剂的成本,贵金属的选择逐渐用价格相对较低的钯代替铂。另一方面,为了进一步提高催化剂的性能,催化剂载体从单一材料发展为多元复合材料,这是由于复合材料可以弥补单一材料的缺陷,并利于形成组成单元间的协同效应,从而实现对催化性能的提升。因此,对于催化材料的表面和界面的设计在催化剂性能优化过程中显示出越来越重要的作用。本论文基于制备不同类型的催化剂载体负载钯纳米粒子,作为直接乙醇燃料电池的阳极催化剂,并测试其对碱性乙醇的电氧化性能。本论文研究内容主要包括以下三个方面:一、二氧化钛-黑磷复合材料载钯的制备及其对乙醇氧化性能的研究将二氧化钛纳米片层(ATN)和黑磷(BP)通过机械球磨的方法,制备出二氧化钛-黑磷复合材料(ATN-BP),将其和钯的前驱体氯亚钯酸钠(Na_2Pd Cl_4)超声分散均匀,然后用硼氢化钾(KBH_4)通过浸渍还原法,得到二氧化钛-黑磷复合材料载钯(Pd/ATN-BP)。结果显示,Pd/ATN-BP在1 M NaOH+1 M C_2H_5OH溶液中的一次乙醇氧化电流密度达到4952.9mA mg~(-1),是传统催化剂商业钯碳(Pd/C,20 w.t%,730.7 mA mg~(-1))的6.78倍,经过3600 s后活性保持为867.7 mA mg~(-1),是Pd/C的40.7倍,由此说明Pd/ATN-BP催化剂具有良好的碱性乙醇电氧化活性和稳定性。二、黑磷-活化石墨烯异质结构载钯的制备及其对乙醇氧化性能的研究将氢氧化钾活化后的石墨烯(AG)和BP通过机械球磨的方法,制备出黑磷-活化石墨烯异质结构复合材料(AG-BP),再与前驱体溶液Na_2PdCl_4超声分散均匀,然后用KBH_4通过浸渍还原法,得到黑磷-活化石墨烯异质结构复合材料载钯(Pd/AG-BP)。结果表明,钯纳米粒子均匀负载在AG-BP载体上,在1 M NaOH+1 M C_2H_5OH溶液中Pd/AG-BP对应的一次乙醇氧化电流密度达到6004 m A mg~(-1),是Pd/C(834.5 mA mg~(-1))的7.19倍,经过20000 s后活性保持为712.03 mA mg~(-1),是Pd/C的80.3倍,由此说明Pd/AG-BP催化剂具有优异的碱性乙醇电氧化活性和稳定性。三、氮化镍-活化石墨烯复合材料载钯的制备及其对乙醇氧化性能的研究将氮化镍(Ni_3N)和活化后的石墨烯通过机械球磨的方法,制备出氮化镍-石墨烯复合材料(AG-Ni_3N),再与前驱体溶液Na_2Pd Cl_4超声分散均匀,然后用硼氢化钠(NaBH_4)通过浸渍还原法,得到氮化镍-活化石墨烯异质结构复合材料载钯(Pd/AG-Ni_3N)。结果表明,Pd/AG-Ni_3N催化剂在1 M NaOH+1 M C_2H_5OH溶液中的一次乙醇氧化电流密度达到2658.5 mA mg~(-1),是Pd/C(668 mA mg~(-1))的3.98倍,经过3600 s后活性保持为464.45mA mg~(-1),是Pd/C的26.5倍,说明了Pd/AG-Ni_3N催化剂具有较好的碱性乙醇电氧化活性和稳定性。
【学位单位】：上海电力学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TM911.4
【部分图文】：
图 1-1 氢氧燃料电池的工作示意图Figure 1-1 Schematic drawing of a hydrogen/oxygen fuel cell 1-1 介绍了质子交换膜燃料电池的工作原理，电极上的反应如下：有燃料电池的基本结构是相似的：电池由正负两个电极组成，由电解液部电路中将其连接起来。在质子交换膜燃料电池中，氢气在阳极氧化成过电解液传输到阴极，在阴极上氧气与电子结合变为氧离子后，氧离子过来的质子结合形成水，在这些反应过程中，电子是通过外部电路进行.2.2 燃料电池分类料电池的分类，主要是根据其电解质的性质、工作温度、燃料的种类和同进行区分的。当以燃料电池工作温度分类时，可以分为：操作温度低极反应 2H2→4H++ 4e-极反应 O2+ 4H++ 4e-→2H2O反应 2H2+ O2→2H2O
.2.2.6 直接甲醇燃料电池（DMFC）接甲醇燃料电池（DMFC），通常在稍高的温度下运行，可以提高其功率度与 PEMFC 相似。在 DMFC 中，甲醇直接进入燃料电池，而不需要将气的中间步骤，而且甲醇具有较高的能量密度。DMFC 中电解液通常使用在水混合物中(通常是 1~2 mol/L)，而只有一小部分甲醇用于阳极。因此补持甲醇浓度是非常重要的。要做到这一点，通过电化学测量甲醇的氧化峰但是由于甲醇具有很高的毒性，是挥发性的易燃物质。如果应用于便携式使用可能会导致重大问题，因此这也是制约甲醇燃料电池发展的重要原因.2.2.7 直接乙醇燃料电池（DEFC）直接乙醇燃料电池（DEFC）中，同样的直接将乙醇加入燃料电池，不需要为氢气，而且乙醇与甲醇相比，能量密度达到8.00 kW hkg-1，高于甲醇的6并且乙醇是没有毒性的，可以从生物质中大量获得，是可再生能源[33,34]以作为直接酒精燃料电池更好的燃料选择。DEFC 工作时是以乙醇燃料作为为阴极。DEFC 的工作原理如下图所示[35]：
第一章 绪论阴极： 3O2+ 12H++ 12e-→ 6H2O (1-2)总反应： C2H5OH + 3O2→ 2CO2+ 3H2O (1-3)DEFC 在碱性条件下工作的电极反应过程为：阳极： C2H5OH + 12OH-→ 2CO2+ 9H2O + 12e-(1-4)阴极： 3O2+ 6H2O + 12e-→ 12OH-(1-5)总反应： C2H5OH + 3O2→ 2CO2+ 3H2O (1-6)
本文编号：2811752
【学位单位】：上海电力学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TM911.4
【部分图文】：
图 1-1 氢氧燃料电池的工作示意图Figure 1-1 Schematic drawing of a hydrogen/oxygen fuel cell 1-1 介绍了质子交换膜燃料电池的工作原理，电极上的反应如下：有燃料电池的基本结构是相似的：电池由正负两个电极组成，由电解液部电路中将其连接起来。在质子交换膜燃料电池中，氢气在阳极氧化成过电解液传输到阴极，在阴极上氧气与电子结合变为氧离子后，氧离子过来的质子结合形成水，在这些反应过程中，电子是通过外部电路进行.2.2 燃料电池分类料电池的分类，主要是根据其电解质的性质、工作温度、燃料的种类和同进行区分的。当以燃料电池工作温度分类时，可以分为：操作温度低极反应 2H2→4H++ 4e-极反应 O2+ 4H++ 4e-→2H2O反应 2H2+ O2→2H2O
.2.2.6 直接甲醇燃料电池（DMFC）接甲醇燃料电池（DMFC），通常在稍高的温度下运行，可以提高其功率度与 PEMFC 相似。在 DMFC 中，甲醇直接进入燃料电池，而不需要将气的中间步骤，而且甲醇具有较高的能量密度。DMFC 中电解液通常使用在水混合物中(通常是 1~2 mol/L)，而只有一小部分甲醇用于阳极。因此补持甲醇浓度是非常重要的。要做到这一点，通过电化学测量甲醇的氧化峰但是由于甲醇具有很高的毒性，是挥发性的易燃物质。如果应用于便携式使用可能会导致重大问题，因此这也是制约甲醇燃料电池发展的重要原因.2.2.7 直接乙醇燃料电池（DEFC）直接乙醇燃料电池（DEFC）中，同样的直接将乙醇加入燃料电池，不需要为氢气，而且乙醇与甲醇相比，能量密度达到8.00 kW hkg-1，高于甲醇的6并且乙醇是没有毒性的，可以从生物质中大量获得，是可再生能源[33,34]以作为直接酒精燃料电池更好的燃料选择。DEFC 工作时是以乙醇燃料作为为阴极。DEFC 的工作原理如下图所示[35]：
第一章 绪论阴极： 3O2+ 12H++ 12e-→ 6H2O (1-2)总反应： C2H5OH + 3O2→ 2CO2+ 3H2O (1-3)DEFC 在碱性条件下工作的电极反应过程为：阳极： C2H5OH + 12OH-→ 2CO2+ 9H2O + 12e-(1-4)阴极： 3O2+ 6H2O + 12e-→ 12OH-(1-5)总反应： C2H5OH + 3O2→ 2CO2+ 3H2O (1-6)
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 陈酉贵;庄林;陆君涛;;碱性直接醇燃料电池非铂阳极催化剂[J];催化学报;2007年10期
2 李斗星;透射电子显微学的新进展Ⅰ透射电子显微镜及相关部件的发展及应用[J];电子显微学报;2004年03期
本文编号：2811752
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