生物质基碳材料的制备及其电催化性能研究
发布时间：2021-04-07 03:50
随着科技进步,环境污染加重,我们对绿色可持续能源的需求日益增加。金属-空气电池和燃料电池等可以将化学能直接转化为电能和热能的技术吸引了研究人员的目光,而作为这些清洁能源技术核心反应的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）等更引起了大家的关注和探究。目前,这些能源技术电催化剂一般为贵金属铂基电催化剂和氧化铱电催化剂,其催化活性优秀,但贵金属十分稀少且价格昂贵,且这些催化剂电化学反应中动力学迟缓,所以我们急需制备廉价、高性能和快速反应动力学的电催化剂。生物质作为碳的主要来源之一,其具有种类多、来源广、产量大、价格低等优点,但大多数生物质得不得有效利用反而引起环境污染。基于以上原因,本文我们分别以植物生物质海带和海藻酸钠为碳载体,用简单方法合成两种新型电催化剂,分别用于ORR和锌-空气电池,为使生物质资源化利用、缓解环境污染问题以及设计高活性电催化剂提供新思路。（1）研制高性能的非贵金属氧还原电催化剂对燃料电池等清洁能源技术的应用具有重大意义。在此,我们以海藻生物质海带为碳前体,通过简单的水热-浸渍-热解的方法成功合成了高活性的氮掺杂的海带基碳材料（NKC）作为氧还原电催化剂。材料具有良好...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１碱性燃料电池示意图［２１］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ａｎ?Ａｌｋａｌｉｎｅ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ??
?第一章绪论????质为ＫＯＨ溶液，ＫＯＨ溶液对（：０２的存在非常敏感，所以ＡＦＣ容易因Ｃ０２引起电解??质中毒，这是其主要缺点之一，也是研究过程中无法避免的问题。??Ａ??ｅ－???ｅ??—??＜ｂ?ｐ??ｈ２?［ｏ?圍＝〇?＿?ｈ２ｏ??Ｌ??Ｈ２〇＾ｒ?＇Ｈｔ?０２??ｕ；????￣?￣?、??Ａｎｏｄｅ?Ｃａｔｈｏｄｅ??Ａｎｉｏｎ?ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｍｅｍｂｒａｎｅ??图１－２碱性阴离子交换膜燃料电池示意图［２５１??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ａ?ＡＥＭ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ??图１－２显示了碱性燃料电池中碱性阴离子交换膜燃料电池（ＡＥＭＦＣ）的电池示意??图［２５］。ＡＥＭ燃料电池是用一种阴离子膜片代替液体电解质，膜在阳极和阴极之间起??隔板和导电载体的作用，在一定程度上解决了?ＡＪＦＣ因Ｃ〇２引起电解质中毒的情况，??此外，电池结构中不存在液体苛性碱，因此也减小的电极的腐蚀。膜电极组件（ＭＥＡ）??作为燃料电池的关键组成部件，将膜夹在两个电极之间，这两个电极包括催化剂层和??气体扩散层，此结构也减小了?ＡＦＣ的尺寸和重量，扩大了其应用范围［２３］。这种燃料??电池的反应方式与ＡＦＣ相同，氧氧化和氧还原分别在阳极和阴极发生，具体反应同??上所述。综上所述，在ＡＦＣ中使用阴离子交换膜（ＡＥＭ）的主要目的是提高ＡＦＣ的??转化效率和使用寿命。??（２）质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）??质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）?被认为是二＾世纪用于清洁高效发电的有前途??的技术之一。在各种类型的燃料电池中
?第一章绪论???ｅ－?ｕｙｓｓｍｓｕｕｙｙｕｉ．ｅ＿．??ｍｍａｍｍ?￣￣＾＂＂＂＂?■？！！？??ＨＨＩ＾－?ｅ＊?—＃ＨＨ??ｎ?｜?ｗ?＾?ｒ??■二二?Ｓ?：５??Ｈ２?ｊｒ?■岭??、葛?〇，??？?＿??＿＿?１?５????ＫＺＳｆｉＳＩ１１＂１１＃?＾?Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?＾?？ｒａａＢＩＤＩＢＳＩ??图１＿３质子交换膜燃料电池示意图［２１］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ａ?ＰＥＭ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ??在ＰＥＭ燃料电池中，使用Ｈ２气体时阳极和阴极的电化学反应分别如下［２Ｗ２］：??在阳极，氢分子分裂成两个质子和两个电子：??Ｈ２?＾?２Ｈ＋?＋?２ｅ￣?式（１－４）??氧在阴极与质子反应并消耗电子形成水：??０２?＋?４Ｈ＋?＋?４ｅ￣?－？?２Ｈ２０?式（１－５）??以上两个合并后，为电池内部总体电化学反应：??２Ｈ２?＋?０２＾?２Ｈ２０?式（１－６）??与其他类型的产生能量的设备相比，ＰＥＭ燃料电池效率更高，但其阴极ＯＲＲ催??化剂所需要的成本也较高，因此研宄人员进行了一系列长期研究确定了几种策略来解??决此问题。现在商用ＯＲＲ电催化剂为贵金属Ｐｔ基催化剂，为了减少成本，一种方法??为开发高效ＰｔＭ合金催化剂（Ｍ是其他非贵金属，例如Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ和Ｃｕ等），减少??贵金属Ｐｔ的使用含量。另一种是用其他廉价元素开发不含贵金属Ｐｔ的高效ＯＲＲ电催??化剂，完全替代Ｐｔ。目前两项研究均取得重大进展，但要满足ＰＥＭＦＣ工业使用，还??需要进一步探宄。??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]铂合金氧还原催化剂:合成、结构和性能（英文）[J]. 王晓霞,Joshua Sokolowski,刘辉,武刚. Chinese Journal of Catalysis. 2020(05)
[2]Preparation of nitrogen and sulfur co-doped ultrathin graphitic carbon via annealing bagasse lignin as potential electrocatalyst towards oxygen reduction reaction in alkaline and acid media[J]. Yixing Shen,Feng Peng,Yonghai Cao,Jianliang Zuo,Hongjuan Wang,Hao Yu. Journal of Energy Chemistry. 2019(07)
[3]可充电锌空气电池的双功能电催化剂（英文）[J]. 郭一博,陈亚楠,崔会娟,周震. Chinese Journal of Catalysis. 2019(09)
[4]生物质衍生碳材料的结构多样性及其在能量存储方面的应用（英文）[J]. 江丽丽,盛利志,范壮军. Science China Materials. 2018(02)
博士论文
[1]非贵金属基纳米电催化剂的设计、合成及其性能研究[D]. 杜诚.中国科学技术大学 2019
[2]非贵金属电催化剂的合成及其性能研究[D]. 张显.中国科学技术大学 2018
[3]基于虾壳衍生碳纳米点制备高性能碳基电催化剂研究[D]. 刘荣荣.中国科学技术大学 2017
硕士论文
[1]ZnMnO3基锂离子电池负极材料的制备、表征及其储锂性能研究[D]. 张燕如.安徽工业大学 2019
[2]基于海藻酸钠的ORR和OER催化剂制备、结构与性能研究[D]. 马娜.青岛大学 2016
[3]MCFC复合动力系统脱碳研究[D]. 朱竞男.华北电力大学 2014
本文编号：3122740
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１碱性燃料电池示意图［２１］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ａｎ?Ａｌｋａｌｉｎｅ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ??
?第一章绪论????质为ＫＯＨ溶液，ＫＯＨ溶液对（：０２的存在非常敏感，所以ＡＦＣ容易因Ｃ０２引起电解??质中毒，这是其主要缺点之一，也是研究过程中无法避免的问题。??Ａ??ｅ－???ｅ??—??＜ｂ?ｐ??ｈ２?［ｏ?圍＝〇?＿?ｈ２ｏ??Ｌ??Ｈ２〇＾ｒ?＇Ｈｔ?０２??ｕ；????￣?￣?、??Ａｎｏｄｅ?Ｃａｔｈｏｄｅ??Ａｎｉｏｎ?ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｍｅｍｂｒａｎｅ??图１－２碱性阴离子交换膜燃料电池示意图［２５１??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ａ?ＡＥＭ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ??图１－２显示了碱性燃料电池中碱性阴离子交换膜燃料电池（ＡＥＭＦＣ）的电池示意??图［２５］。ＡＥＭ燃料电池是用一种阴离子膜片代替液体电解质，膜在阳极和阴极之间起??隔板和导电载体的作用，在一定程度上解决了?ＡＪＦＣ因Ｃ〇２引起电解质中毒的情况，??此外，电池结构中不存在液体苛性碱，因此也减小的电极的腐蚀。膜电极组件（ＭＥＡ）??作为燃料电池的关键组成部件，将膜夹在两个电极之间，这两个电极包括催化剂层和??气体扩散层，此结构也减小了?ＡＦＣ的尺寸和重量，扩大了其应用范围［２３］。这种燃料??电池的反应方式与ＡＦＣ相同，氧氧化和氧还原分别在阳极和阴极发生，具体反应同??上所述。综上所述，在ＡＦＣ中使用阴离子交换膜（ＡＥＭ）的主要目的是提高ＡＦＣ的??转化效率和使用寿命。??（２）质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）??质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）?被认为是二＾世纪用于清洁高效发电的有前途??的技术之一。在各种类型的燃料电池中
?第一章绪论???ｅ－?ｕｙｓｓｍｓｕｕｙｙｕｉ．ｅ＿．??ｍｍａｍｍ?￣￣＾＂＂＂＂?■？！！？??ＨＨＩ＾－?ｅ＊?—＃ＨＨ??ｎ?｜?ｗ?＾?ｒ??■二二?Ｓ?：５??Ｈ２?ｊｒ?■岭??、葛?〇，??？?＿??＿＿?１?５????ＫＺＳｆｉＳＩ１１＂１１＃?＾?Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?＾?？ｒａａＢＩＤＩＢＳＩ??图１＿３质子交换膜燃料电池示意图［２１］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ａ?ＰＥＭ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ??在ＰＥＭ燃料电池中，使用Ｈ２气体时阳极和阴极的电化学反应分别如下［２Ｗ２］：??在阳极，氢分子分裂成两个质子和两个电子：??Ｈ２?＾?２Ｈ＋?＋?２ｅ￣?式（１－４）??氧在阴极与质子反应并消耗电子形成水：??０２?＋?４Ｈ＋?＋?４ｅ￣?－？?２Ｈ２０?式（１－５）??以上两个合并后，为电池内部总体电化学反应：??２Ｈ２?＋?０２＾?２Ｈ２０?式（１－６）??与其他类型的产生能量的设备相比，ＰＥＭ燃料电池效率更高，但其阴极ＯＲＲ催??化剂所需要的成本也较高，因此研宄人员进行了一系列长期研究确定了几种策略来解??决此问题。现在商用ＯＲＲ电催化剂为贵金属Ｐｔ基催化剂，为了减少成本，一种方法??为开发高效ＰｔＭ合金催化剂（Ｍ是其他非贵金属，例如Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ和Ｃｕ等），减少??贵金属Ｐｔ的使用含量。另一种是用其他廉价元素开发不含贵金属Ｐｔ的高效ＯＲＲ电催??化剂，完全替代Ｐｔ。目前两项研究均取得重大进展，但要满足ＰＥＭＦＣ工业使用，还??需要进一步探宄。??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]铂合金氧还原催化剂:合成、结构和性能（英文）[J]. 王晓霞,Joshua Sokolowski,刘辉,武刚. Chinese Journal of Catalysis. 2020(05)
[2]Preparation of nitrogen and sulfur co-doped ultrathin graphitic carbon via annealing bagasse lignin as potential electrocatalyst towards oxygen reduction reaction in alkaline and acid media[J]. Yixing Shen,Feng Peng,Yonghai Cao,Jianliang Zuo,Hongjuan Wang,Hao Yu. Journal of Energy Chemistry. 2019(07)
[3]可充电锌空气电池的双功能电催化剂（英文）[J]. 郭一博,陈亚楠,崔会娟,周震. Chinese Journal of Catalysis. 2019(09)
[4]生物质衍生碳材料的结构多样性及其在能量存储方面的应用（英文）[J]. 江丽丽,盛利志,范壮军. Science China Materials. 2018(02)
博士论文
[1]非贵金属基纳米电催化剂的设计、合成及其性能研究[D]. 杜诚.中国科学技术大学 2019
[2]非贵金属电催化剂的合成及其性能研究[D]. 张显.中国科学技术大学 2018
[3]基于虾壳衍生碳纳米点制备高性能碳基电催化剂研究[D]. 刘荣荣.中国科学技术大学 2017
硕士论文
[1]ZnMnO3基锂离子电池负极材料的制备、表征及其储锂性能研究[D]. 张燕如.安徽工业大学 2019
[2]基于海藻酸钠的ORR和OER催化剂制备、结构与性能研究[D]. 马娜.青岛大学 2016
[3]MCFC复合动力系统脱碳研究[D]. 朱竞男.华北电力大学 2014
本文编号：3122740
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