电氧化肼负载型镍硼及镍磷催化剂的研制

发布时间：2020-11-21 00:23

　　 燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。直接肼燃料电池(Direct hydrazine fuel cells,DHFCs)因具有理论输出电压高(1.56 V)、能量密度高(5.40kWh·kg~(-1))、反应产物不污染环境等优点有望在移动/便携式电源应用。研发低成本、高活性、良好稳定性的阳极催化剂是推进DHFC商业化应用的关键。本文以DHFC阳极催化剂为研究内容,采用不同的化学合成方法制备出低成本高效负载型Ni-B和Ni-P催化剂。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线光电子谱(XPS)等表征技术,对催化剂的形貌和结构进行了分析,同时通过循环伏安、线性扫描、计时电流等电化学方法测量催化剂催化活性及稳定性,以建立催化剂结构和性能的关系。论文所取得的研究成果为DHFC的商业化应用奠定了实验和理论基础,本论文主要研究内容如下:1.采用化学镀在泡沫镍表面生成由平均尺寸为380 nm密集堆垛小球,以制备负载型Ni-B催化剂。通过XRD和选区电子衍射分析得出该催化剂是由非晶和纳米晶组成。Ni-B催化剂用于N_2H_4电催化氧化展现出了良好的循环稳定性。在30 ~oC电催化0.10 M N_2H_4,其起始电位为-0.09 V,在电位为0.30 V(相对于可逆氢电极)时,电流密度达到340 mA·cm~(-2)。相比于已报道的多数DHFC阳极催化剂,该催化活性处于领先水平。此外研究发现适当提高反应温度、水合肼和氢氧化钠的浓度有利于对肼的电催化氧化。依据与Ni/泡沫镍活性对比和XPS分析催化剂表面元素价态结果,得出电催化性能提高可能是因为掺杂B元素调节了Ni电子结构,进而提高了其本征活性。2.以泡沫镍为载体,先水热制备具有纳米片层结构Ni(OH)_2前驱体,再磷化制备出一种负载型Ni-P催化剂。通过XRD和选区电子衍射分析得出Ni-P催化剂是由Ni_(12)P_5和Ni_2P二相组成。在碱性条件下,研究其电催化氧化N_2H_4反应的性能,该催化剂对N_2H_4电化学氧化表现出优异的活性和耐久性。在同样电位下,Ni-P催化剂活性超过Ni-B催化剂,但其起始电位更正。结合理论和实验,对其催化机理进行了初步探讨。电催化性能提高同样可能是因为掺杂P元素调节了Ni电子结构,进而提高了其本征活性。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ426;TM911.4
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 前言
    1.2 燃料电池
        1.2.1 燃料电池发展史
        1.2.2 燃料电池特点
        1.2.3 燃料电池的分类
    1.3 直接液体燃料电池
        1.3.1 直接醇类燃料电池
        1.3.2 直接甲酸燃料电池
        1.3.3 直接硼氢化钠燃料电池
        1.3.4 直接肼燃料电池
    1.4 直接肼燃料电池
        1.4.1 直接肼燃料电池发展简史
        1.4.2 直接肼燃料电池工作原理
        1.4.3 直接肼燃料电池体系结构
        1.4.4 直接肼燃料电池极化特性
    1.5 直接肼燃料电池电催化剂研究
        1.5.1 阳极催化剂
        1.5.2 阴极催化剂
    1.6 水合肼电化学氧化机理研究
    1.7 电催化剂研究面临问题和研究热点
    1.8 本课题研究意义和研究内容
第二章 Ni-B/泡沫镍用于肼电催化氧化
    2.1 引言
    2.2 实验部分
        2.2.1 实验原材料及装置
        2.2.2 催化剂制备
        2.2.3 电化学测试
        2.2.4 表征
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 样品形貌观察与结构表征
        2.3.2 阳极催化剂电化学活性研究
        2.3.3 催化剂的电化学比表面积和电化学阻抗测量
        2.3.4 Ni-B/泡沫镍对肼电化学氧化机理分析
        2.3.5 不同反应条件下样品对肼电催化影响
    2.4 本章小结
第三章 Ni-P/泡沫镍用于肼电催化氧化
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 试剂和仪器
        3.2.2 催化剂制备
        3.2.3 电化学测试
        3.2.4 表征
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 样品形貌观察与结构表征
        3.3.2 催化剂活性及耐久性测试
        3.3.3 催化剂电化学比表面积和阻抗测量
    3.4 本章小结
第四章 结论
    4.1 本文结论
    4.2 本论文主要的创新成果
    4.3 本论文存在的不足与展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的研究成果
致谢
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本文编号：2892239