燃料电池阴极非贵金属MOF基衍生物催化剂研究
发布时间：2021-10-10 13:56
氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction,ORR）是燃料电池中重要的阴极反应过程,由于氧还原反应动力学比较迟缓,为了降低反应能垒就需要高活性的催化剂来提高反应速度,其中氮掺杂碳载体负载的过渡金属催化剂（M-N-C,M指过渡金属如Fe,Co,Mn等）是最有前途的ORR催化剂之一,但目前对提高M-N-C催化剂的催化活性位点数量和建立催化剂构效关系仍存在挑战,尚缺乏深入认识。基于以上问题,本文分别以高比表面积和高导电性的MOFs为碳源和氮源合成了双金属Mn Co-ISAs/CN催化剂以及采用低温冷冻-热解法制备Fe/SCN单原子催化剂,通过一系列物理表征和电化学性能测试,得到以下结果:（1）利用金属-有机骨架（MOF）原位衍生得到锚定在碳氮材料上的Mn Co双金属单原子催化剂（Mn Co-ISAs/CN）。该合成方法基于Zn/Co双金属MOF的热解过程,Zn原子在高温挥发促进多孔碳结构的形成,用于捕获金属离子得到Co修饰MOF碳氮骨架,再通过吸附-热解将Mn原子吸附在空余位点上。由于挥发性Zn金属节点的掺杂,延长了相邻金属离子的空间距离,有效地阻止了金属离子在高温热解过...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)基本结构
第一章文献综述7其中E0是指标准条件下的化学势。从机理上讲，ORR可以通过2e-或4e-途径进行。理想地，ORR应该通过4e-途径进行，因为2e-途径导致形成稳定的H2O2中间产物，这会降低催化性能。1.3PEMFC阴极氧还原催化剂研究1.3.1Pt基催化剂图1-2Pt基催化剂结构示意图质子交换膜燃料电池是有前途的可再生能源技术之一，其通过分别利用氢和氧作为燃料和氧化剂来发电。迄今为止，铂是燃料电池的最佳催化剂。但是对于具有成本效益以及高效的燃料电池，合成低负载的铂而不影响其性能已成为研究的必要。通过实现DOE的2020年低Pt负载0.125mgptcm-2和可输送功率密度0.9-1Wcm-2的目标，来开发PEMFC电催化剂的路线图。为了实现该目标，需要具有催化活性，高导电性的稳定载体材料来负载铂。提高所需催化剂的活性和稳定性并最小化负载的Pt的量，对于降低用于商业用途的PEMFC的成本至关重要。致力于改善Pt基ORR催化剂的催化性能，包括开发各种具有可调尺寸和化学组成的Pt纳米结构，具有可选择性显示的晶体学表面的受控形状，定制的表面应变，表面掺杂，几何工程以及界面工程。一般来说，长期以来难以解决的颗粒大小和形状的影响，可以归因于缺乏合适的方法合成的无杂质的Pt纳米颗粒，合成大小均匀，均匀分散在导电载体上，可以在原子和分子水平上表征。这种情况与铂单晶形成了鲜明的对比，在过去的三十年中，铂单晶的表面制备和表征技术已经得到了很好的发展。另外，不像Pt单晶可以在第一个电极电位扫描中获
第一章文献综述11图1-3：A、B）分别为扫描电镜和透射电镜图都显示出Fe/Fe3C/C是直径为400-500nm中空的球和Fe3C纳米颗粒被嵌入到球体中；C、D）分别为Fe和Fe3C/C催化剂在酸性和碱性溶液中都显示了很好的ORR催化活性和稳定性。1.3.2.2过渡金属氮化物电催化能量转换被认为是现代社会实现能量储存和利用的最有效、最有前途的途径之一。为了改善电催化反应，需要特定的催化剂来降低过电位。过渡金属氮化物具有高的催化活性和独特的电子结构，在寻找贵金属催化剂的有效替代物方面引起了人们的极大兴趣。在过去的几十年里，许多氮化物基催化剂已经被探索出能够氧还原电催化反应的能力。在这种情况下，过渡金属氮化物因其在各种催化应用中的催化性能而引起了科学家们的关注，如在加氢处理过程，近年来，过渡金属氮化物作为一种高效的电催化剂出现在能源相关反应中，如析氢反应、析氧反应以及氧还原反应和甲醇氧化反应。过渡金属氮化物的催化活性被认为是由于其独特的电子结构赋予了类贵金属的催化行为，并保证了氮化物表面与反应物在催化过程中的适当吸附，设计和优化氮化物基催化剂的主要挑战是确定各种电催化反应的活性中心，这是由于各向异性差和苛刻的高温条件，分析活性中心的位置受到了严重的阻碍，导致的很难控制的氮化物的合成路线。因此，设计有效的合成方法，实现均匀、特定的氮化物纳米结构，将有助于揭示活性中心的位
【参考文献】：
期刊论文
[1]类沸石咪唑骨架ZIF-8复合材料的研究进展[J]. 张宝幸. 精细石油化工. 2018(02)
本文编号：3428507
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)基本结构
第一章文献综述7其中E0是指标准条件下的化学势。从机理上讲，ORR可以通过2e-或4e-途径进行。理想地，ORR应该通过4e-途径进行，因为2e-途径导致形成稳定的H2O2中间产物，这会降低催化性能。1.3PEMFC阴极氧还原催化剂研究1.3.1Pt基催化剂图1-2Pt基催化剂结构示意图质子交换膜燃料电池是有前途的可再生能源技术之一，其通过分别利用氢和氧作为燃料和氧化剂来发电。迄今为止，铂是燃料电池的最佳催化剂。但是对于具有成本效益以及高效的燃料电池，合成低负载的铂而不影响其性能已成为研究的必要。通过实现DOE的2020年低Pt负载0.125mgptcm-2和可输送功率密度0.9-1Wcm-2的目标，来开发PEMFC电催化剂的路线图。为了实现该目标，需要具有催化活性，高导电性的稳定载体材料来负载铂。提高所需催化剂的活性和稳定性并最小化负载的Pt的量，对于降低用于商业用途的PEMFC的成本至关重要。致力于改善Pt基ORR催化剂的催化性能，包括开发各种具有可调尺寸和化学组成的Pt纳米结构，具有可选择性显示的晶体学表面的受控形状，定制的表面应变，表面掺杂，几何工程以及界面工程。一般来说，长期以来难以解决的颗粒大小和形状的影响，可以归因于缺乏合适的方法合成的无杂质的Pt纳米颗粒，合成大小均匀，均匀分散在导电载体上，可以在原子和分子水平上表征。这种情况与铂单晶形成了鲜明的对比，在过去的三十年中，铂单晶的表面制备和表征技术已经得到了很好的发展。另外，不像Pt单晶可以在第一个电极电位扫描中获
第一章文献综述11图1-3：A、B）分别为扫描电镜和透射电镜图都显示出Fe/Fe3C/C是直径为400-500nm中空的球和Fe3C纳米颗粒被嵌入到球体中；C、D）分别为Fe和Fe3C/C催化剂在酸性和碱性溶液中都显示了很好的ORR催化活性和稳定性。1.3.2.2过渡金属氮化物电催化能量转换被认为是现代社会实现能量储存和利用的最有效、最有前途的途径之一。为了改善电催化反应，需要特定的催化剂来降低过电位。过渡金属氮化物具有高的催化活性和独特的电子结构，在寻找贵金属催化剂的有效替代物方面引起了人们的极大兴趣。在过去的几十年里，许多氮化物基催化剂已经被探索出能够氧还原电催化反应的能力。在这种情况下，过渡金属氮化物因其在各种催化应用中的催化性能而引起了科学家们的关注，如在加氢处理过程，近年来，过渡金属氮化物作为一种高效的电催化剂出现在能源相关反应中，如析氢反应、析氧反应以及氧还原反应和甲醇氧化反应。过渡金属氮化物的催化活性被认为是由于其独特的电子结构赋予了类贵金属的催化行为，并保证了氮化物表面与反应物在催化过程中的适当吸附，设计和优化氮化物基催化剂的主要挑战是确定各种电催化反应的活性中心，这是由于各向异性差和苛刻的高温条件，分析活性中心的位置受到了严重的阻碍，导致的很难控制的氮化物的合成路线。因此，设计有效的合成方法，实现均匀、特定的氮化物纳米结构，将有助于揭示活性中心的位
【参考文献】：
期刊论文
[1]类沸石咪唑骨架ZIF-8复合材料的研究进展[J]. 张宝幸. 精细石油化工. 2018(02)
本文编号：3428507
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3428507.html
