金属-有机框架衍生的杂原子掺杂多孔碳材料用于电催化氧还原
发布时间：2021-02-24 03:44
氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction,ORR）作为清洁能源转换装置如燃料电池的阴极反应,起着至关重要的作用。然而其反应动力学缓慢、Pt/C催化剂价格昂贵、易中毒等限制了其大规模商业应用,因此研发低成本、高效稳定的非贵金属催化剂尤为重要,这引起了材料化学家的广泛关注。近年来,晶态金属-有机框架化合物（Metal-Organic Frameworks,MOFs）因其具有可调的化学组成、孔结构、形貌特征和均匀的杂原子分布等特点,因此以MOFs为前驱体/模板衍生的杂原子掺杂多孔碳材料继承了其优点,能显著提升氧还原催化活性而受到重视。基于此,我们采用一系列不同的MOFs材料作为前驱体,制备了不同的杂原子掺杂多孔碳材料,并研究了其在ORR反应中的性能。研究的主要内容如下:1.MOFs前驱体的形貌尽管会对其衍生的碳材料的性能产生影响,然而目前仍然没有系统研究MOFs形貌与相应碳材料结构性能之间关系的报道。我们以球状、多面体和棒状三种形貌的沸石咪唑酯骨架结构材料ZIF-7作为前驱体,制备了不同形貌、孔特征和比表面积的氮掺杂碳材料,并系统研究了形貌对碳材料结构和氧还原催化活性的...
【文章来源】：福建师范大学福建省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图0-1可持续能源转换示意图
福建师范大学伍巧硕士学位论文-2-成本较高、长期稳定性欠佳以及氢燃料储存相关技术有待提高[9,10]。在燃料电池阴极中，由于使用了大量的铂催化剂来促进动力学缓慢的阴极氧还原反应[11]，因此成本较高。据报道，在新型燃料电池总成本中铂基金属(Platinum-GroupMetal,PGM)电催化剂大约占到45%[9]。美国能源部(USDepartmentofEnergy,DOE)数据显示，到2025年质子交换膜燃料电池(Proton-Exchange-MembraneFuelCells,PEMFC)的成本应大幅降低至$35kW-1的目标[12]。所以，研发制备低成本、高活性和稳定性好的非贵金属催化剂成为关键。第二节燃料电池清洁能源中的燃料电池不经过燃料燃烧的过程，可以直接把燃料中的化学能转成电能。因此，具有使用方便、对环境友好几乎无污染、无噪音，尤其是转化能量效率高、储存能量大，使用寿命长等优点。0.2.1燃料电池的组成及工作原理燃料电池主要由阳极、阴极和电解质组成。碱性燃料电池(AlkalineFuelCells,AFC)得到了快速发展，如图0-2所示，在碱性燃料电池中，阴极发生反应：O2+2H2O+4e-→4OH-，氧气作为反应物被还原为OH-，并穿过阴离子交换膜到达阳极。氢气在阳极作为燃料与OH-反应得到电子和生成H2O(2H2+4OH-→4H2O+4e-)。电子通过外部电路转移到阴极，氢氧根离子通过电解质膜到达阴极。阳极和阴极均由碳载体负载的高分散铂基催化剂组成，以促进氢氧化反应(HydrogenOxidationReaction,HOR)和氧还原反应(ORR)。图0-2燃料电池工作原理示意图。Fig.0-2Schematicdiagramoffuelcellworkingprinciple.
福建师范大学伍巧硕士学位论文-4-图0-3燃料电池种类示意图。Fig.0-3TheSchematicdiagramoffuelcelltypes.燃料电池被用到很多领域，例如小汽车、移动手机、平板电脑等。前三种燃料电池基本上需要向阳极提供相对纯的氢气，不仅增加了系统的复杂性和成本，而且降低了系统的整体效率，使用碳氢化合物或酒精燃料则需要在系统中加入外部燃料处理器。相比之下，熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池在较高的温度下一氧化碳和氢气都可以在阳极上被电化学氧化。而且，燃料处理反应可以在堆叠内完成，这使得创新的热集成/管理设计功能能够提供优异的系统效率大约~50%[17]。0.2.3面临的挑战人们认为燃料电池是理想的清洁可再生能源，具有储能效率高和环境友好的优点。燃料电池反应不仅涉及到电化学，也会涉及到材料学，热力学等多学科相关的理论知识，要将燃料电池大规模应用于商业领域仍然需要不断改进技术。目前，主要面临以下几个方面的挑战。(1)降低催化剂的成本阴极缓慢的动力学反应需要大量的铂基催化剂。但铂系贵金属催化剂仍然存在成本高、富集度低、稳定性差、易发生一氧化碳中毒等关键问题。这些瓶颈阻碍了燃料电池的广泛商业化应用。因此，在不影响性能的情况下，降低铂负载，或者寻
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有痕量钴掺杂且暴露更多边缘活性的N,P共掺杂的多孔碳纳米片作为高效氧还原催化剂（英文）[J]. 严大峰,郭兰,谢超,王燕勇,李云霄,李浩,王双印. Science China Materials. 2018(05)
本文编号：3048730
【文章来源】：福建师范大学福建省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图0-1可持续能源转换示意图
福建师范大学伍巧硕士学位论文-2-成本较高、长期稳定性欠佳以及氢燃料储存相关技术有待提高[9,10]。在燃料电池阴极中，由于使用了大量的铂催化剂来促进动力学缓慢的阴极氧还原反应[11]，因此成本较高。据报道，在新型燃料电池总成本中铂基金属(Platinum-GroupMetal,PGM)电催化剂大约占到45%[9]。美国能源部(USDepartmentofEnergy,DOE)数据显示，到2025年质子交换膜燃料电池(Proton-Exchange-MembraneFuelCells,PEMFC)的成本应大幅降低至$35kW-1的目标[12]。所以，研发制备低成本、高活性和稳定性好的非贵金属催化剂成为关键。第二节燃料电池清洁能源中的燃料电池不经过燃料燃烧的过程，可以直接把燃料中的化学能转成电能。因此，具有使用方便、对环境友好几乎无污染、无噪音，尤其是转化能量效率高、储存能量大，使用寿命长等优点。0.2.1燃料电池的组成及工作原理燃料电池主要由阳极、阴极和电解质组成。碱性燃料电池(AlkalineFuelCells,AFC)得到了快速发展，如图0-2所示，在碱性燃料电池中，阴极发生反应：O2+2H2O+4e-→4OH-，氧气作为反应物被还原为OH-，并穿过阴离子交换膜到达阳极。氢气在阳极作为燃料与OH-反应得到电子和生成H2O(2H2+4OH-→4H2O+4e-)。电子通过外部电路转移到阴极，氢氧根离子通过电解质膜到达阴极。阳极和阴极均由碳载体负载的高分散铂基催化剂组成，以促进氢氧化反应(HydrogenOxidationReaction,HOR)和氧还原反应(ORR)。图0-2燃料电池工作原理示意图。Fig.0-2Schematicdiagramoffuelcellworkingprinciple.
福建师范大学伍巧硕士学位论文-4-图0-3燃料电池种类示意图。Fig.0-3TheSchematicdiagramoffuelcelltypes.燃料电池被用到很多领域，例如小汽车、移动手机、平板电脑等。前三种燃料电池基本上需要向阳极提供相对纯的氢气，不仅增加了系统的复杂性和成本，而且降低了系统的整体效率，使用碳氢化合物或酒精燃料则需要在系统中加入外部燃料处理器。相比之下，熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池在较高的温度下一氧化碳和氢气都可以在阳极上被电化学氧化。而且，燃料处理反应可以在堆叠内完成，这使得创新的热集成/管理设计功能能够提供优异的系统效率大约~50%[17]。0.2.3面临的挑战人们认为燃料电池是理想的清洁可再生能源，具有储能效率高和环境友好的优点。燃料电池反应不仅涉及到电化学，也会涉及到材料学，热力学等多学科相关的理论知识，要将燃料电池大规模应用于商业领域仍然需要不断改进技术。目前，主要面临以下几个方面的挑战。(1)降低催化剂的成本阴极缓慢的动力学反应需要大量的铂基催化剂。但铂系贵金属催化剂仍然存在成本高、富集度低、稳定性差、易发生一氧化碳中毒等关键问题。这些瓶颈阻碍了燃料电池的广泛商业化应用。因此，在不影响性能的情况下，降低铂负载，或者寻
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有痕量钴掺杂且暴露更多边缘活性的N,P共掺杂的多孔碳纳米片作为高效氧还原催化剂（英文）[J]. 严大峰,郭兰,谢超,王燕勇,李云霄,李浩,王双印. Science China Materials. 2018(05)
本文编号：3048730
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