钽化合物为载体的铂基电催化材料设计与制备及其性能研究
发布时间：2021-07-02 12:53
当今世界面临的能源和环境挑战日益严峻,开发绿色清洁的可再生能源迫在眉睫。氢气由于具有零污染和高能量密度等特点,被认为是一种理想的能源载体。在氢经济背景下,电解水制氢技术成为获得高纯度氢燃料的高效能源转换工艺之一,最终通过燃料电池等可再生能源转换技术将氢能推广使用。为了提高燃料电池和电解水等装置的能源转换效率,加快反应过程动力学速率,开发高活性、高稳定性的铂基电催化材料对于推进相关领域的研究具有重要意义。本论文以具有强耐酸性和高化学稳定性钽化合物作为铂基电催化材料载体,通过模板法和热处理等方法实现钽化合物载体的形貌和孔结构调控,制备具有大比表面积、高孔隙率的氧化钽材料;通过调控氧化钽结晶程度,设计并构建了原子级铂-钽化合物界面,从而诱导电子和化学耦合的发生,制备高性能铂基电催化材料;通过对钽化合物载体的组成调控,构建具有中空结构的氧化钽/碳化钽复合载体体系,从而有效增强铂与钽化合物载体之间的相互作用。通过建立钽化合物为载体的铂基电催化体系,实现可控制备高活性、高稳定性铂基电催化剂的目标,为高性能铂基电催化剂的结构设计提供理论依据。取得的主要研究成果如下:（1）采用软模板法设计制备了具有大...
【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】：161 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２氢经济系统中的氢循环过程Ｍ
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电池发展所面??临的关键挑战是如何在降低成本和提高功率密度的同时，增强燃料电池的耐久性。??Ａｒ＾ｏｄｅ?Ｃｕｔｈｏｄ？??－?２Ｈ＊?２ｍ￣?■—＾丄［』祕＞２?？?？．?２Ｍ＊?—？??ｒＨ一?—ｉｒ￣｜￣ｉ??Ｇａｓ?ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?＊—■＼??一》？?二＾??ｄＺ?？Ａｉｒ?ｆｌｏｗ??ｃｚ?ｚｄ?ｒｒｐｉ??Ｂｉ?ｐｏｌａｒ?ｐｌａｔｅ－＊＊ｒ?ＣＺ?憑?二３?Ｌ－ｒ＊－－－Ｃｏｏｈｗｔｔ?ｆｌｏｗ??＾＊：８＇??Ｍｈ?ｕｒ＞Ｈ?ｃｅ８??图１－４?ＰＥＭＦＣ的基本结构与工作原理［１４］。??Ｆｉｇ．?１－４?Ｆｒａｍｅ?ａｎｄ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ＰＥＭＦＣ［１４］．??（２）氧还原反应的电催化机理??氧还原反应作为ＰＥＭＦＣ能源转换装置的阴极反应，由于其缓慢的动力学速率ｆ２３＿??２４］，限制了?ＰＥＭＦＣ商业化的发展。因此，针对氧还原反应的研究是非常必要的。为??开发高效氧还原催化剂，了解氧还原反应的电催化机理至关重要。尽管关于氧还原反??应机理存在许多争议，但众所周知，金属催化剂的氧还原反应性能主要取决于氧气吸??附和含氧中间产物脱附过程的快慢。酸性介质中的氧还原反应路径如下Ｐ５＿２６］：??四电子反应路径：０２?＋?４Ｈ＋?＋?４ｅ－?—２Ｈ２０?（ＥＧ?＝?１＿２２９?Ｖ）?式?１－４??二电子反应路径：０２＋?２Ｈ＋?＋?２ｅ＿—?Ｈ２０２?（Ｅ０＝?０．６９５?Ｖ）?式卜５??Ｈ２０２?＋?２Ｈ＋?＋?２ｅ￣?＾?２Ｈ２０?（Ｅ°?＝?１．７６３?Ｖ）?式?１－６??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于可再生能源的水电解制氢技术（英文）[J]. 迟军,俞红梅. 催化学报. 2018(03)
[2]氢气氧化/析出反应电催化剂（英文）[J]. 卢思奇,庄仲滨. Science China Materials. 2016(03)
本文编号：3260504
【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】：161 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２氢经济系统中的氢循环过程Ｍ
—＾?Ｃ０２?＜??０２＇??ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ?????Ｈ２，?ＣＯ?ＭＣＦＣ（６５０ｆ?Ｃ）?—〇２（ａｉｒ）??ｃｐ２?＜??Ｃ０３２?一?Ｃ０２??Ｅｘｔｅｒｎａｌ??Ｈｔ〇Ｃ〇ｎ９?ＰＡＦＣ?（２００?ｃＣ）?￣＾ｏ＼?ｌ－＜—?０２?（ａｉｒ）??Ｅｘｔｅｒｎａｌ??⑶一?ＰＥＭＦＣ＾Ｃ，?＿〇２（ａｊｒ）??｛ＣＯ?ｒｅｍｏｖａｉ）?????????????丨‘?ａ，ｆｃ（７°?■：，－?ｆ??０Ｈ?ｒｅｍｏｖａｌ）??图１－３燃料电池主要类型［１３］。??Ｆｉｇ．?１－３?Ｍａｊｏｒ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ?ｔｙｐｅｓ［１３］．??（１）质子交换膜燃料电池概述??图１－４展示了?ＰＥＭＦＣ的主要部件和基本工作原理［１４１质子交换膜燃料电池是由??一系列单电池构成的膜电极组件（ＭＥＡ）、双极板以及一些密封的元件组成【１４］。ＭＥＡ??是装置中核心的电化学部件，反应气体通过双极板提供的气体流道进入到ＭＥＡ，氢??气在ＭＥＡ阳极处被氧化同时氧气在ＭＥＡ阴极处被还原，电极反应过程如下【｜１，１５＿１６］：??阳极：Ｈ２?—Ｈ＋?＋?２ｅ－?式?１－１??阴极：｜〇２?＋?２Ｈ＋?＋?２ｅ－?—?Ｈ２０?式?１－２??电极总反应：；〇２?＋?Ｈ２〇?式１－３??双极板不仅能够防止气室中氢气与氧气的串通，并且在串联的阴阳两极之间建立了电??流通路，使得电子能够通过外电路做功，保证气体氧化还原反应的顺利进行。水和热??量是该反应中唯一的副产品。多孔气体扩散层的设计有助于反应物气体和产物水在气??体通道和催化剂表面的流动，从而提高电池的能量转换效率。??虽然ＰＥＭＦ
电池发展所面??临的关键挑战是如何在降低成本和提高功率密度的同时，增强燃料电池的耐久性。??Ａｒ＾ｏｄｅ?Ｃｕｔｈｏｄ？??－?２Ｈ＊?２ｍ￣?■—＾丄［』祕＞２?？?？．?２Ｍ＊?—？??ｒＨ一?—ｉｒ￣｜￣ｉ??Ｇａｓ?ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?＊—■＼??一》？?二＾??ｄＺ?？Ａｉｒ?ｆｌｏｗ??ｃｚ?ｚｄ?ｒｒｐｉ??Ｂｉ?ｐｏｌａｒ?ｐｌａｔｅ－＊＊ｒ?ＣＺ?憑?二３?Ｌ－ｒ＊－－－Ｃｏｏｈｗｔｔ?ｆｌｏｗ??＾＊：８＇??Ｍｈ?ｕｒ＞Ｈ?ｃｅ８??图１－４?ＰＥＭＦＣ的基本结构与工作原理［１４］。??Ｆｉｇ．?１－４?Ｆｒａｍｅ?ａｎｄ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ＰＥＭＦＣ［１４］．??（２）氧还原反应的电催化机理??氧还原反应作为ＰＥＭＦＣ能源转换装置的阴极反应，由于其缓慢的动力学速率ｆ２３＿??２４］，限制了?ＰＥＭＦＣ商业化的发展。因此，针对氧还原反应的研究是非常必要的。为??开发高效氧还原催化剂，了解氧还原反应的电催化机理至关重要。尽管关于氧还原反??应机理存在许多争议，但众所周知，金属催化剂的氧还原反应性能主要取决于氧气吸??附和含氧中间产物脱附过程的快慢。酸性介质中的氧还原反应路径如下Ｐ５＿２６］：??四电子反应路径：０２?＋?４Ｈ＋?＋?４ｅ－?—２Ｈ２０?（ＥＧ?＝?１＿２２９?Ｖ）?式?１－４??二电子反应路径：０２＋?２Ｈ＋?＋?２ｅ＿—?Ｈ２０２?（Ｅ０＝?０．６９５?Ｖ）?式卜５??Ｈ２０２?＋?２Ｈ＋?＋?２ｅ￣?＾?２Ｈ２０?（Ｅ°?＝?１．７６３?Ｖ）?式?１－６??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于可再生能源的水电解制氢技术（英文）[J]. 迟军,俞红梅. 催化学报. 2018(03)
[2]氢气氧化/析出反应电催化剂（英文）[J]. 卢思奇,庄仲滨. Science China Materials. 2016(03)
本文编号：3260504
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