氮（硫）掺杂碳基材料的制备及其氧还原催化性能研究
发布时间：2022-01-05 11:08
氧还原反应（ORR）是燃料电池阴极的核心反应。常规的ORR动力学缓慢,影响电池的整体性能。设计并开发成本低、活性高且稳定性好的非贵金属催化剂对于燃料电池的商业化应用意义重大。掺杂型碳基材料因其优异的导电性、稳定性和突出的抗中毒能力,被视为最有发展前景的氧还原催化剂候选者。同时,过渡金属硫化物因其较低的成本和较高的氧催化活性,在氧还原领域也备受关注。本文从掺杂型碳材料和金属硫化物出发,拟采用不同的制备方法,获得了系列具有独特形貌、结构和组成的氮（硫）掺杂型碳基氧还原催化剂。论文具体研究内容如下:（1）以吡咯为氮、碳源,采用模板-NH3刻蚀法,制备刻蚀型N掺杂多孔碳材料（E-NMC-t,t表示刻蚀时间）。研究发现,加入Si O2和NH3刻蚀可增大碳材料的比表面积,暴露更多的有效活性位点。与其它对比样相比,E-NMC-5表现出优化的形貌、结构和组成,因而具有最佳的ORR性能。（2）分别以吡咯为氮、碳源,Fe3O4纳米球为模板,制备多孔核-壳Fe1-xS/氮硫共掺...
【文章来源】：湖南理工学院湖南省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池的基本结构
湖南理工学院硕士学位论文第1章3总反应：1/2O2+2H++2e-→H2O+电能+热能图1-1燃料电池的基本结构1.2.3燃料电池的分类设计的众多燃料电池，它们的基本原理都相似，但燃料的种类，工作的温度和电解质的化学特性不同。根据这些特征可将燃料电池分为：质子交换膜燃料电池（PEMFC），固体氧化物燃料电池（SOFC），碱性燃料电池（AFC），直接甲醇燃料电池（DMFC），磷酸燃料电池（PAFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）（图1-2）[21]。图1-2燃料电池类型其中PEMFC和SOFC的应用更广泛。对于PEMFC，其额定功率范围宽
湖南理工学院硕士学位论文第1章9孔M-N-C催化剂。其中，以维生素B12为前驱体，SBA-15为模板制备的Co基介孔催化剂（CNCo），比表面积达568m2/g。该催化剂同样具有优异的氧还原催化性能（图1-3d）。另外，氧还原过程中的不利产物（如H2O2和O2-）是M-N-C催化剂值得注意的问题。最近，Gewirth等[75]研究发现，氧还原催化剂中质子传输的动力学在某种程度上决定了氧还原过程中产物的分布（图1.4e）。通过一种混合双层膜来定量调节质子向催化剂传输的动力学。当质子载体不足时，质子传输太慢，O2会被还原成O2-；当质子载体过量时，质子传输太快，氧还原过程将进行两电子过程，得到H2O2（如图）。因此，质子和电子传输之间的不匹配会导致产生不利的产物，并且质子传输与O-O键断裂速率之间的关系确保了以H2O为产物的四电子途径。图1-3燃料电池性能：1.无金属PANI-C,2.ANI-Co-C,3.PANI-FeCo-C(1),4.PANI-FeCo-C(2),5.PANI-Fe-C和Pt基催化剂(灰色虚线)(a)；制备的催化剂(蓝色)，已报道的催化剂(红色)和商业Pt/C(绿色)的功率密度(b)；Pod-Fe的TEM图(c)；CNCo的TEM图(d)；不同质子转移速率下组装的电极和ORR途径的示意图(e)1.4.2.2过渡金属化合物过渡金属化合物（金属氧化物、硫化物和氮化物等）因其储量丰富，成本低廉，制备简单以及良好的氧还原催化活性，被研究者们广泛关注。但过渡金属化合物的导电性较差并且在发生氧还原过程时易团聚，为了改善过渡金属化合物固有的缺陷，需对过渡金属化合物的形貌和结构进行优化。Jaramillo等[76]通过电沉积法合成了锰氧化物膜。该Mn氧化物的半波电位为0.73V，在碱性溶液中比商业Pt/C负130mV。随后，Cheng等[77]研究发现，MnO2在空气或氩气中经过高温处理，可使MnO2产生氧空位，并提升其氧催化活性。据理论计算，改
【参考文献】：
期刊论文
[1]Enhancing the stability and activity by anchoring Pt nanoparticles between the layers of etched montmorillonite for oxygen reduction reaction[J]. Wei Li,Wei Ding,Yao Nie,Xueqiang Qi,Guangping Wu,Li Li,Jianhua Liao,Siguo Chen,Zidong Wei. Science Bulletin. 2016(18)
本文编号：3570242
【文章来源】：湖南理工学院湖南省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池的基本结构
湖南理工学院硕士学位论文第1章3总反应：1/2O2+2H++2e-→H2O+电能+热能图1-1燃料电池的基本结构1.2.3燃料电池的分类设计的众多燃料电池，它们的基本原理都相似，但燃料的种类，工作的温度和电解质的化学特性不同。根据这些特征可将燃料电池分为：质子交换膜燃料电池（PEMFC），固体氧化物燃料电池（SOFC），碱性燃料电池（AFC），直接甲醇燃料电池（DMFC），磷酸燃料电池（PAFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）（图1-2）[21]。图1-2燃料电池类型其中PEMFC和SOFC的应用更广泛。对于PEMFC，其额定功率范围宽
湖南理工学院硕士学位论文第1章9孔M-N-C催化剂。其中，以维生素B12为前驱体，SBA-15为模板制备的Co基介孔催化剂（CNCo），比表面积达568m2/g。该催化剂同样具有优异的氧还原催化性能（图1-3d）。另外，氧还原过程中的不利产物（如H2O2和O2-）是M-N-C催化剂值得注意的问题。最近，Gewirth等[75]研究发现，氧还原催化剂中质子传输的动力学在某种程度上决定了氧还原过程中产物的分布（图1.4e）。通过一种混合双层膜来定量调节质子向催化剂传输的动力学。当质子载体不足时，质子传输太慢，O2会被还原成O2-；当质子载体过量时，质子传输太快，氧还原过程将进行两电子过程，得到H2O2（如图）。因此，质子和电子传输之间的不匹配会导致产生不利的产物，并且质子传输与O-O键断裂速率之间的关系确保了以H2O为产物的四电子途径。图1-3燃料电池性能：1.无金属PANI-C,2.ANI-Co-C,3.PANI-FeCo-C(1),4.PANI-FeCo-C(2),5.PANI-Fe-C和Pt基催化剂(灰色虚线)(a)；制备的催化剂(蓝色)，已报道的催化剂(红色)和商业Pt/C(绿色)的功率密度(b)；Pod-Fe的TEM图(c)；CNCo的TEM图(d)；不同质子转移速率下组装的电极和ORR途径的示意图(e)1.4.2.2过渡金属化合物过渡金属化合物（金属氧化物、硫化物和氮化物等）因其储量丰富，成本低廉，制备简单以及良好的氧还原催化活性，被研究者们广泛关注。但过渡金属化合物的导电性较差并且在发生氧还原过程时易团聚，为了改善过渡金属化合物固有的缺陷，需对过渡金属化合物的形貌和结构进行优化。Jaramillo等[76]通过电沉积法合成了锰氧化物膜。该Mn氧化物的半波电位为0.73V，在碱性溶液中比商业Pt/C负130mV。随后，Cheng等[77]研究发现，MnO2在空气或氩气中经过高温处理，可使MnO2产生氧空位，并提升其氧催化活性。据理论计算，改
【参考文献】：
期刊论文
[1]Enhancing the stability and activity by anchoring Pt nanoparticles between the layers of etched montmorillonite for oxygen reduction reaction[J]. Wei Li,Wei Ding,Yao Nie,Xueqiang Qi,Guangping Wu,Li Li,Jianhua Liao,Siguo Chen,Zidong Wei. Science Bulletin. 2016(18)
本文编号：3570242
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3570242.html
