杂原子掺杂泡沫碳的制备及其电催化性能研究
发布时间：2021-08-29 12:11
能源是人类赖以生存的重要物质基础,是国民经济的发展命脉。作为仅次于基因组计划和超级材料之后的第三项尖端技术,燃料电池（Fuel cell）具有环境友好、启动速度快、能量转换效率高、运行安静稳定等特点,承载着人类高效率和零排放发电的梦想。质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）在移动电源和分散式电站领域拥有广阔市场,备受关注。若想打破其大规模商业化障碍,需要寻找来源广泛、价格低廉、氧还原催化性能好、稳定性强的非铂催化剂,这也是众多科研人员的努力方向。因出色的稳定性、可控的孔结构、高表面积和出色的电子导电性,碳材料在电化学能量转换和存储领域受到广泛研究。通过引入杂原子的化学修饰方法能够有效优化碳的内在结构、电子性能和几何性质,产生大量吸附和催化活性位点。基于此,本文制备了不同杂原子掺杂泡沫碳材料,通过一系列物理性能表征、微观结构表征和电化学测试,探究它们的微观形貌、键合成分等对氧还原催化性能的影响,解释其优异性能的原因。本文开展了如下一些工作:1.利用水解乙烯基咪唑鎓硝酸盐（[Hvim]NO3）作为发泡剂和...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池分类示意图
江苏大学硕士学位论文3可以选择性传导离子，气体渗透性低，法拉第效率高。电解质隔膜在达到一定强度的基础上，越薄越好。目前，质子交换膜燃料电池中的电解质隔膜是杜邦公司生产的全氟磺酸型质子交换膜(Nafion膜)，售价高达500-800美元/m2。这种质子交换膜的质子传导率和含水率呈线性关系[2]。双极板连接两个单电池，有分隔氧化剂与还原剂、收集电流和疏导反应气体的功能。双极板上独特的流场沟道可以将反应气体均匀运送到电极表面各处，其性能取决于极板材料性质、流场沟道图案及其加工技术。目前，质子交换膜燃料电池上广泛使用的双极板材料是石墨、金属和复合材料。图1.2质子交换膜燃料电池的结构Fig.1.2StructureofPEMFC1.2.2工作原理如图1.3所示，以质子交换膜燃料电池为例，说明其工作原理。阳极处，氢气在催化剂的作用下发生氧化反应，生成氢离子并给出自由电子。氢离子通过电解质隔膜（质子交换膜）由阳极运输到阴极，电子通过外电路经用电器回到阴极。阴极处，氧气（一般来源于空气）在催化剂的作用下，与被传递过来的氢离子和电子发生还原反应，生成水。阳极半反应(HER)：2H2→4H++4e(1.1)阴极半反应(ORR)：O2+2H++2e→2H2O(1.2)总反应：2H2+O2→2H2O(1.3)这个过程中，阳极扩散层传导燃料的电化学氧化产生的电流，阴极扩散层为氧的电化
杂原子掺杂泡沫碳的制备及其电催化性能研究4学还原输送电子。质子交换膜有选择透过性，即允许氢离子因浓度梯度从阴极扩散至阳极，阻止电子通过。电子由外电路由阳极板运动至阴极板，电子的定向移动形成电流，外接用电器得以通电工作。图1.3质子交换膜燃料电池的工作原理Fig.1.3WorkingprincipleofPEMFC1.2.3性能受实际运行条件下过电位的影响，电池的工作电压(实际输出电压V)总是低于其电动势(可逆电压Er)，并随着放电电流的增加而逐渐减校通过质子交换膜燃料电池的电流与电池端电压的关系可用下式描述：V=ErηaηciRΩ(1.4)式中，ηa、ηc、i、RΩ分别为电池的阳极过电位、阴极过电位、电流、内阻。电池内阻包括电极材料、电解质、电池连接材料等的欧姆电阻，以及电池材料之间的接触电阻，经结构优化和材料优化后主要由电解质的欧姆电阻决定。阳极、阴极过电位由电催化活性和传质性能决定，通常可进一步分为电化学反应导致的活化损耗和质量传输导致的浓度损耗。活化过电位是为了使电荷转移反应能顺利进行而施加的外部电势，以便反应物突破活化能垒，按照一定速率进行反应。活化过电位和电流密度的关系通过Bulter-Volmer方程描述：
【参考文献】：
博士论文
[1]非贵金属氧还原催化剂的设计合成及氧还原历程研究[D]. 张晓华.中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) 2018
硕士论文
[1]可聚合离子液体的合成研究[D]. 吴增华.云南大学 2017
本文编号：3370633
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池分类示意图
江苏大学硕士学位论文3可以选择性传导离子，气体渗透性低，法拉第效率高。电解质隔膜在达到一定强度的基础上，越薄越好。目前，质子交换膜燃料电池中的电解质隔膜是杜邦公司生产的全氟磺酸型质子交换膜(Nafion膜)，售价高达500-800美元/m2。这种质子交换膜的质子传导率和含水率呈线性关系[2]。双极板连接两个单电池，有分隔氧化剂与还原剂、收集电流和疏导反应气体的功能。双极板上独特的流场沟道可以将反应气体均匀运送到电极表面各处，其性能取决于极板材料性质、流场沟道图案及其加工技术。目前，质子交换膜燃料电池上广泛使用的双极板材料是石墨、金属和复合材料。图1.2质子交换膜燃料电池的结构Fig.1.2StructureofPEMFC1.2.2工作原理如图1.3所示，以质子交换膜燃料电池为例，说明其工作原理。阳极处，氢气在催化剂的作用下发生氧化反应，生成氢离子并给出自由电子。氢离子通过电解质隔膜（质子交换膜）由阳极运输到阴极，电子通过外电路经用电器回到阴极。阴极处，氧气（一般来源于空气）在催化剂的作用下，与被传递过来的氢离子和电子发生还原反应，生成水。阳极半反应(HER)：2H2→4H++4e(1.1)阴极半反应(ORR)：O2+2H++2e→2H2O(1.2)总反应：2H2+O2→2H2O(1.3)这个过程中，阳极扩散层传导燃料的电化学氧化产生的电流，阴极扩散层为氧的电化
杂原子掺杂泡沫碳的制备及其电催化性能研究4学还原输送电子。质子交换膜有选择透过性，即允许氢离子因浓度梯度从阴极扩散至阳极，阻止电子通过。电子由外电路由阳极板运动至阴极板，电子的定向移动形成电流，外接用电器得以通电工作。图1.3质子交换膜燃料电池的工作原理Fig.1.3WorkingprincipleofPEMFC1.2.3性能受实际运行条件下过电位的影响，电池的工作电压(实际输出电压V)总是低于其电动势(可逆电压Er)，并随着放电电流的增加而逐渐减校通过质子交换膜燃料电池的电流与电池端电压的关系可用下式描述：V=ErηaηciRΩ(1.4)式中，ηa、ηc、i、RΩ分别为电池的阳极过电位、阴极过电位、电流、内阻。电池内阻包括电极材料、电解质、电池连接材料等的欧姆电阻，以及电池材料之间的接触电阻，经结构优化和材料优化后主要由电解质的欧姆电阻决定。阳极、阴极过电位由电催化活性和传质性能决定，通常可进一步分为电化学反应导致的活化损耗和质量传输导致的浓度损耗。活化过电位是为了使电荷转移反应能顺利进行而施加的外部电势，以便反应物突破活化能垒，按照一定速率进行反应。活化过电位和电流密度的关系通过Bulter-Volmer方程描述：
【参考文献】：
博士论文
[1]非贵金属氧还原催化剂的设计合成及氧还原历程研究[D]. 张晓华.中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) 2018
硕士论文
[1]可聚合离子液体的合成研究[D]. 吴增华.云南大学 2017
本文编号：3370633
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