非贵金属氧还原反应催化剂的制备及性能研究
发布时间：2022-01-07 05:42
化石燃料的大量消耗和生态环境的严重恶化刺激了清洁能源的开发利用和研究,由于燃料电池高能量密度以及清洁环保等优点,引起广泛的研究兴趣。然而燃料电池的发展却面临着诸多挑战,有数据显示,阻碍燃料电池商业化发展问题的56%来源于燃料电池催化剂的高昂价格。如今燃料电池阴极氧还原反应（ORR）催化剂大多使用的是Pt/C催化剂,而贵金属Pt的成本比较高,地壳中的储能较少。开发非贵金属杂原子掺杂碳材料作为氧还原反应催化剂成为了研究的重点,其掺杂方法,催化剂的功能和多样性吸引着大多的研究者。为降低燃料电池催化剂成本,本论文设计并制备了阴极氧还原反应催化剂。研究并选择了合适的前驱体来合成杂原子共掺杂碳,取得了良好的性能,提高了催化剂的稳定性。同时降低成本,促进环境保护,实现废物利用。主要工作为:以磷酸和乙烯基咪唑为原材料合成可聚合离子液体,研究了可聚合离子液体（PIL）产生氮和磷共掺杂作为氧还原反应催化剂的前体。IL用H2PO4-阴离子官能化,在最终的碳中提供P杂原子。同时,IL的阳离子在其结构中具有氮,其使氮杂原子掺杂碳骨架。因此,可以通...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
咪唑类离子液体的合成路线
物称作生物质材料。在诸多的可再生能源中，生物质材料的应用也是相当广泛的[46]。消费总量位居第四，仅次于煤、石油和天然气[47]。生物质的应用方法主要有生物化学转换法和热化学转化法两种，生物化学转换技术主要包括气化、炭化、快速热分解、酯化、直接燃烧、直接液化、水热解气化、燃料泥浆化等。这些技术大部分处于基础研究或中试阶段，部分进入了实用化阶段。热化学转化法是通过加热导致生物质发生化学变化，使其变为易于使用的二次能源。比如燃气、热能、电力、液体燃料等。生物质的数量巨大，种类繁多（如图1-2）。主要分为植物质和动物质，植物质主要包括植物及其废弃物，如秸秆、稻壳、落叶、杂草、果壳等[48]。动物质则主要包括动物皮毛、残骨、外壳等。目前处理生物质材料都是采用焚烧和填埋的方式，这不仅对生态环境造成严重破坏，而且还造成资源的极大浪费。所以，我们可以对这些廉价易得的天然生物质材料进行功能化转化和高值化利用。生物质材料因其特殊的形貌结构和活泼的物化性质可作为理想的天然生物质基多相催化剂[49,50]。图1-2各种生物质同美国、欧盟等发达国家相比，中国的生物质能源产业技术的发展还有不小的差距。我国的生物质能源产业技术同世界一流水平还有一段距离。因此应大力发展生物质能源产业，提高生物质能源的利用率。杂原子掺杂碳材料由于大的比表面积、高孔隙、良好的电子传导性以及热、机械稳定性而广泛应用于催化、能源、生命科学等领域。传统的制备方法往往都以不可再生的碳源（如煤炭、沥青
第二章以可聚合离子液体为前驱体合成N-P共掺杂碳催化剂用于氧还原反应的研究13解，在管式炉中以5℃min-1升至560℃的加热速率加热。在该温度下保持1小时后，使样品自然冷却至室温，得到黑色粉末（C1）。所有上述步骤均在N2气流中以60mLmin-1进行。由于C=C存在，IL在热解过程中发生了聚合反应。制备过程如图2-1示意。图2-1C1催化剂的制备流程图2.2.3电化学表征对获得的催化剂进行电化学表征。在室温下使用三电极体系，其中用0.1MKOH水溶液作为电解质。Hg/HgO电极作为参比电极。铂丝作为对电极，工作电极使用直径为5mm的铂碳电极。所有的电化学测试均在饱和氧气（或氮气）下的电解质中进行。测得的电位为相对于可逆氢电极电位（RHE）的转换，根据ERHE=EHg/HgO+0.955。一、制备工作电极将0.45mL乙醇和0.05mLNafion溶液（5wt％）加入到2.5mg催化剂样品中以制备悬浮液。然后将悬浮液超声处理30分钟，得到均相催化剂油墨。随后，用移液枪吸取10μL油墨滴到直径为5mm的镜面抛光的玻碳电极上，产生0.25mgcm-2的质量负荷。待工作电极晾干后，进行测试。二、电化学性能测试采用上海辰华仪器有限公司的电化学工作站对样品进行电化学测试。电化学装置主要包括旋转圆盘电极装置，以电解池为中心的三电极体系、电化学工作站以及控制电化学工作站运行的计算机。测试内容如下：（1）循环伏安测试：首先在氧气饱和的电解质中以10mVs-1的扫描速率，范围为1.2-0VRHE下进行测试。其次，在氮气饱和的电解质中以10–500mVs-1的各扫描速率下进行循环伏安法（CV）的测试，并通过绘制CV曲线的闭合面积与扫描速率的关系来获得曲线。曲线斜率用于评估电化学活性表面积（ECSA），与斜率成正比。
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池发电技术的发展现状与应用研究[J]. 陈济颖,郑家阳,祝晓强. 新型工业化. 2019(09)
[2]生物质衍生炭材料的多维结构设计及其超级电容器研究进展[J]. 时君友. 北华大学学报(自然科学版). 2019(05)
[3]用于超电容储能的生物质碳材料的电化学性能[J]. 周佳祺,贾永锋,吉磊,孙丹卉,刘景海,段莉梅. 云南化工. 2019(06)
[4]生物质碳材料及其研究进展[J]. 卢清杰,周仕强,陈明鹏,张瑾,柳清菊. 功能材料. 2019(06)
[5]燃料电池的发展与应用[J]. 常雪嵩,周瑶,田萌,李连豹,韦虹,李双清,李军,王瑞平. 小型内燃机与车辆技术. 2019(03)
[6]燃料电池技术应用研究及未来前景展望[J]. 伍赛特. 通信电源技术. 2019(05)
[7]离子液体应用的研究进展[J]. 孙健,李岱霖,倪菲,高华晶,金朝辉. 应用化工. 2019(07)
[8]生物质衍生碳材料的制备及其在新型电池中的应用[J]. 张英杰,吴刚,吴昊,董鹏,李雪,曾晓苑. 稀有金属与硬质合金. 2019(02)
[9]生物质能源的研究综述[J]. 席静,王静,梁斌. 山东化工. 2019(02)
[10]离子液体研究与发展[J]. 王忠华. 乙醛醋酸化工. 2018(09)
博士论文
[1]石墨烯负载贵金属纳米材料的可控合成、性质及应用研究[D]. 周亚洲.江苏大学 2015
本文编号：3573932
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
咪唑类离子液体的合成路线
物称作生物质材料。在诸多的可再生能源中，生物质材料的应用也是相当广泛的[46]。消费总量位居第四，仅次于煤、石油和天然气[47]。生物质的应用方法主要有生物化学转换法和热化学转化法两种，生物化学转换技术主要包括气化、炭化、快速热分解、酯化、直接燃烧、直接液化、水热解气化、燃料泥浆化等。这些技术大部分处于基础研究或中试阶段，部分进入了实用化阶段。热化学转化法是通过加热导致生物质发生化学变化，使其变为易于使用的二次能源。比如燃气、热能、电力、液体燃料等。生物质的数量巨大，种类繁多（如图1-2）。主要分为植物质和动物质，植物质主要包括植物及其废弃物，如秸秆、稻壳、落叶、杂草、果壳等[48]。动物质则主要包括动物皮毛、残骨、外壳等。目前处理生物质材料都是采用焚烧和填埋的方式，这不仅对生态环境造成严重破坏，而且还造成资源的极大浪费。所以，我们可以对这些廉价易得的天然生物质材料进行功能化转化和高值化利用。生物质材料因其特殊的形貌结构和活泼的物化性质可作为理想的天然生物质基多相催化剂[49,50]。图1-2各种生物质同美国、欧盟等发达国家相比，中国的生物质能源产业技术的发展还有不小的差距。我国的生物质能源产业技术同世界一流水平还有一段距离。因此应大力发展生物质能源产业，提高生物质能源的利用率。杂原子掺杂碳材料由于大的比表面积、高孔隙、良好的电子传导性以及热、机械稳定性而广泛应用于催化、能源、生命科学等领域。传统的制备方法往往都以不可再生的碳源（如煤炭、沥青
第二章以可聚合离子液体为前驱体合成N-P共掺杂碳催化剂用于氧还原反应的研究13解，在管式炉中以5℃min-1升至560℃的加热速率加热。在该温度下保持1小时后，使样品自然冷却至室温，得到黑色粉末（C1）。所有上述步骤均在N2气流中以60mLmin-1进行。由于C=C存在，IL在热解过程中发生了聚合反应。制备过程如图2-1示意。图2-1C1催化剂的制备流程图2.2.3电化学表征对获得的催化剂进行电化学表征。在室温下使用三电极体系，其中用0.1MKOH水溶液作为电解质。Hg/HgO电极作为参比电极。铂丝作为对电极，工作电极使用直径为5mm的铂碳电极。所有的电化学测试均在饱和氧气（或氮气）下的电解质中进行。测得的电位为相对于可逆氢电极电位（RHE）的转换，根据ERHE=EHg/HgO+0.955。一、制备工作电极将0.45mL乙醇和0.05mLNafion溶液（5wt％）加入到2.5mg催化剂样品中以制备悬浮液。然后将悬浮液超声处理30分钟，得到均相催化剂油墨。随后，用移液枪吸取10μL油墨滴到直径为5mm的镜面抛光的玻碳电极上，产生0.25mgcm-2的质量负荷。待工作电极晾干后，进行测试。二、电化学性能测试采用上海辰华仪器有限公司的电化学工作站对样品进行电化学测试。电化学装置主要包括旋转圆盘电极装置，以电解池为中心的三电极体系、电化学工作站以及控制电化学工作站运行的计算机。测试内容如下：（1）循环伏安测试：首先在氧气饱和的电解质中以10mVs-1的扫描速率，范围为1.2-0VRHE下进行测试。其次，在氮气饱和的电解质中以10–500mVs-1的各扫描速率下进行循环伏安法（CV）的测试，并通过绘制CV曲线的闭合面积与扫描速率的关系来获得曲线。曲线斜率用于评估电化学活性表面积（ECSA），与斜率成正比。
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池发电技术的发展现状与应用研究[J]. 陈济颖,郑家阳,祝晓强. 新型工业化. 2019(09)
[2]生物质衍生炭材料的多维结构设计及其超级电容器研究进展[J]. 时君友. 北华大学学报(自然科学版). 2019(05)
[3]用于超电容储能的生物质碳材料的电化学性能[J]. 周佳祺,贾永锋,吉磊,孙丹卉,刘景海,段莉梅. 云南化工. 2019(06)
[4]生物质碳材料及其研究进展[J]. 卢清杰,周仕强,陈明鹏,张瑾,柳清菊. 功能材料. 2019(06)
[5]燃料电池的发展与应用[J]. 常雪嵩,周瑶,田萌,李连豹,韦虹,李双清,李军,王瑞平. 小型内燃机与车辆技术. 2019(03)
[6]燃料电池技术应用研究及未来前景展望[J]. 伍赛特. 通信电源技术. 2019(05)
[7]离子液体应用的研究进展[J]. 孙健,李岱霖,倪菲,高华晶,金朝辉. 应用化工. 2019(07)
[8]生物质衍生碳材料的制备及其在新型电池中的应用[J]. 张英杰,吴刚,吴昊,董鹏,李雪,曾晓苑. 稀有金属与硬质合金. 2019(02)
[9]生物质能源的研究综述[J]. 席静,王静,梁斌. 山东化工. 2019(02)
[10]离子液体研究与发展[J]. 王忠华. 乙醛醋酸化工. 2018(09)
博士论文
[1]石墨烯负载贵金属纳米材料的可控合成、性质及应用研究[D]. 周亚洲.江苏大学 2015
本文编号：3573932
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