非贵金属碳基氧还原电催化剂的设计制备与性能研究
发布时间：2022-01-25 21:15
随着化石燃料的快速消耗和环境问题的日益严重,开发清洁可持续的新型能源储存和转换技术是当今世界研究的重要前沿课题。燃料电池和锌空气液流电池等新型能源装置由于其能量转换效率高和环境可持续性等优点,被认为是解决未来能源和环境问题的重要战略途径。目前,贵金属铂基催化剂仍是燃料电池和锌空气液流电池等新型能源装置的电极反应的主要催化剂。然而,铂的价格昂贵,稀缺和耐久性差等问题严重阻碍了燃料电池系统在实际中的广泛应用。作为燃料电池和锌空气液流电池的关键反应,阴极电极上的氧还原反应（ORR）的反应动力学缓慢,需要大量昂贵的铂基电催化剂提高反应动力学。因此,发展廉价高活性的非贵金属氧还原反应催化剂是实现燃料电池商业应用最有希望的策略之一。本文以非贵金属催化剂为研究对象,从金属团聚,活性位点暴露,质量传输与催化剂结构精准调控等问题入手,通过实验与理论相结合,我们对催化剂的活性位点系统深入的分析,并成功制备了一系列高活性氧还原催化剂,具体的研究内容和创新点如下:（1）纳米限域空间制备高性能氧还原催化剂。非贵金属催化剂在高温碳化过程中会出现金属颗粒团聚问题,不利于活性位点的暴露,导致活性位点利用率降低而影响其...
【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】：159 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１?２０２５年轻型车辆应用的目标
?第一章绪论???盐还原为金属锌。电池电势为１．６５Ｖ，发生的电池反应可以表示为??阴极反应：??ｉ〇２＋Ｈ２０＋２ｅ－－＞２０Ｈ＇?（Ｅ°＝０．４?Ｖ?ｖｓ．?ＳＨＥ）??阳极反应：??Ｚｎ＋４０ＨＴ－２ｅ－—Ｚｎ（ＯＨ亡（Ｅ°＝－ｌ＿２５?Ｖｖｓ．?ＳＨＥ）??Ｚｎ（０Ｈ）＾Ｚｎ０＋Ｈ２０＋２０Ｈ＇??总反应：??Ｚｎ＋＾０２－？Ｚｎ０?（Ｅ°＝１．６５Ｖ）??相比更快的阳极反应动力学，阴极的ＯＲＲ发生在三相反应区（催化剂－电解质－气??体），以及氧析出反应（ＯＥＲ）发生在两相边界（催化剂－电解质），这两个反应本质上??是动力学迟缓的，因此需要高活性的电催化剂的帮助［３６，３７］。??？■＊???ｅ．．??ｆｒｒ?１１?？Ｔ１??？?丄、?一?｜丨｜?Ｉ?ｄ?ｆｅｐａｒａｔ〇ｒ—Ｉ?？??丨：ｆ９?扁（：?１??－丨：〇Ｒ?１??Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?；?；?＼??＊?Ｍｅｔａｌ?ｌｕ：?－Ａｉｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ??ｊ?ａ???—／＼——?乂??Ｐｕｍｐ??图１－３金属空气液流电池原理图［３４］??Ｆｉｇ．?１?－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｍｅｔａｌ－ａｉｒ?ｆｌｏｗ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ＾３４１??１．４非贵金属催化剂研究进展??在ＰＥＭＦＣ中，铂族金属（ＰＧＭ）催化剂仍然是目前催化效率最高的ＯＲＲ催化??剂。美国能源部２０２５年ＰＧＭ催化剂的整体电池活性目标为沒）．１０ｇ／ｋＷ＠１５０ｋＰａ，质??５??
．４４?Ａ／ｍｇ?ＰＧＭ＠０．９?ＶｉＲ－ｆｒｅｅ［３８］。铀基膜电极的主要挑战是成本和持久性。??由于铂的稀缺性和高昂的价格，这阻碍了基于铂基的ＰＥＭＦＣ的全球商业化。ＰＧＭ催??化剂的Ｐｔ在高侵蚀性操作条件下的耐久性差，这是由Ｐｔ纳米颗粒的溶解，烧结和结??块等问题引起的，这不可避免地导致电化学表面积减小和ＯＲＲ性能损失［３９，＇此外，??Ｐｔ对氢燃料中的杂质（如ＣＯ和Ｈ２Ｓ等）和空气中的污染物（如ＮＯｘ和ＳＯｘ等）很??敏感，导致催化性能下降，有时会永久损坏膜电极组件［４１］。如图１－４所示，为了降低??Ｐｔ的使用量，低铀族金属（ｌｏｗ－ＰＧＭ）催化剂和无ＰＧＭ催化剂都在研究中，以提高??稳定性和降低成本［４２］。尽管现在可以通过使用Ｐｔ合金或使用支撑材料制造核壳结构??来减少所需的Ｐｔ量，同时可以提高Ｐｔ基催化剂的固有活性和稳定性［４３４７］，但以低成??本进行大规模商业化生产仍面临挑战。从长远来看，廉价、高活性和稳定的非贵金属??催化剂更容易实现ＰＥＭＦＣ的大规模商业化。几十年来，通过开发创新的合成方法和??材料，人们研宄了各种非贵金属催化剂来代替昂贵的铂基催化剂，对ＯＲＲ的机理理??解也有了很大的进步，且新的催化剂合成概念和催化活性方面取得了重大突破。??Ｌｏｗ?ＰＧＭ?ｃａｔａｌｙｓｔｓ?ＰＧＭ－ｆｒｅｅ?ｃａｔａｌｙｓｔｓ??ＩＰ??Ｐｔ?ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ?１?Ｍａｃｒｏｃｙｄｉｃ?ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ?Ｃｏ￣Ｎ４??Ｃａｒｂｏｎ?ｓｕｐｐｏｒｔｓ?Ｈｅａｔ－ｔｒｅａｔｅｄ?ｍａｃｒｏｃｙｃｆｉｃ?ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ??（Ｇｒａｐｈｉｌｉｚａｔｉｏｎ，?ｐｏｒｏｓｉｔｙ，?ｄｏｐｉｎｇ，?ｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe-N-C catalysts for PEMFC: Progress towards the commercial application under DOE reference[J]. Lina Wang,Xin Wan,Shuangyu Liu,Li Xu,Jianglan Shui. Journal of Energy Chemistry. 2019(12)
[2]光电多孔共价有机材料的研究进展[J]. 万刚,付宇昂,郭佳宁,向中华. 化学学报. 2015(06)
本文编号：3609223
【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】：159 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１?２０２５年轻型车辆应用的目标
?第一章绪论???盐还原为金属锌。电池电势为１．６５Ｖ，发生的电池反应可以表示为??阴极反应：??ｉ〇２＋Ｈ２０＋２ｅ－－＞２０Ｈ＇?（Ｅ°＝０．４?Ｖ?ｖｓ．?ＳＨＥ）??阳极反应：??Ｚｎ＋４０ＨＴ－２ｅ－—Ｚｎ（ＯＨ亡（Ｅ°＝－ｌ＿２５?Ｖｖｓ．?ＳＨＥ）??Ｚｎ（０Ｈ）＾Ｚｎ０＋Ｈ２０＋２０Ｈ＇??总反应：??Ｚｎ＋＾０２－？Ｚｎ０?（Ｅ°＝１．６５Ｖ）??相比更快的阳极反应动力学，阴极的ＯＲＲ发生在三相反应区（催化剂－电解质－气??体），以及氧析出反应（ＯＥＲ）发生在两相边界（催化剂－电解质），这两个反应本质上??是动力学迟缓的，因此需要高活性的电催化剂的帮助［３６，３７］。??？■＊???ｅ．．??ｆｒｒ?１１?？Ｔ１??？?丄、?一?｜丨｜?Ｉ?ｄ?ｆｅｐａｒａｔ〇ｒ—Ｉ?？??丨：ｆ９?扁（：?１??－丨：〇Ｒ?１??Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?；?；?＼??＊?Ｍｅｔａｌ?ｌｕ：?－Ａｉｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ??ｊ?ａ???—／＼——?乂??Ｐｕｍｐ??图１－３金属空气液流电池原理图［３４］??Ｆｉｇ．?１?－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｍｅｔａｌ－ａｉｒ?ｆｌｏｗ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ＾３４１??１．４非贵金属催化剂研究进展??在ＰＥＭＦＣ中，铂族金属（ＰＧＭ）催化剂仍然是目前催化效率最高的ＯＲＲ催化??剂。美国能源部２０２５年ＰＧＭ催化剂的整体电池活性目标为沒）．１０ｇ／ｋＷ＠１５０ｋＰａ，质??５??
．４４?Ａ／ｍｇ?ＰＧＭ＠０．９?ＶｉＲ－ｆｒｅｅ［３８］。铀基膜电极的主要挑战是成本和持久性。??由于铂的稀缺性和高昂的价格，这阻碍了基于铂基的ＰＥＭＦＣ的全球商业化。ＰＧＭ催??化剂的Ｐｔ在高侵蚀性操作条件下的耐久性差，这是由Ｐｔ纳米颗粒的溶解，烧结和结??块等问题引起的，这不可避免地导致电化学表面积减小和ＯＲＲ性能损失［３９，＇此外，??Ｐｔ对氢燃料中的杂质（如ＣＯ和Ｈ２Ｓ等）和空气中的污染物（如ＮＯｘ和ＳＯｘ等）很??敏感，导致催化性能下降，有时会永久损坏膜电极组件［４１］。如图１－４所示，为了降低??Ｐｔ的使用量，低铀族金属（ｌｏｗ－ＰＧＭ）催化剂和无ＰＧＭ催化剂都在研究中，以提高??稳定性和降低成本［４２］。尽管现在可以通过使用Ｐｔ合金或使用支撑材料制造核壳结构??来减少所需的Ｐｔ量，同时可以提高Ｐｔ基催化剂的固有活性和稳定性［４３４７］，但以低成??本进行大规模商业化生产仍面临挑战。从长远来看，廉价、高活性和稳定的非贵金属??催化剂更容易实现ＰＥＭＦＣ的大规模商业化。几十年来，通过开发创新的合成方法和??材料，人们研宄了各种非贵金属催化剂来代替昂贵的铂基催化剂，对ＯＲＲ的机理理??解也有了很大的进步，且新的催化剂合成概念和催化活性方面取得了重大突破。??Ｌｏｗ?ＰＧＭ?ｃａｔａｌｙｓｔｓ?ＰＧＭ－ｆｒｅｅ?ｃａｔａｌｙｓｔｓ??ＩＰ??Ｐｔ?ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ?１?Ｍａｃｒｏｃｙｄｉｃ?ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ?Ｃｏ￣Ｎ４??Ｃａｒｂｏｎ?ｓｕｐｐｏｒｔｓ?Ｈｅａｔ－ｔｒｅａｔｅｄ?ｍａｃｒｏｃｙｃｆｉｃ?ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ??（Ｇｒａｐｈｉｌｉｚａｔｉｏｎ，?ｐｏｒｏｓｉｔｙ，?ｄｏｐｉｎｇ，?ｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe-N-C catalysts for PEMFC: Progress towards the commercial application under DOE reference[J]. Lina Wang,Xin Wan,Shuangyu Liu,Li Xu,Jianglan Shui. Journal of Energy Chemistry. 2019(12)
[2]光电多孔共价有机材料的研究进展[J]. 万刚,付宇昂,郭佳宁,向中华. 化学学报. 2015(06)
本文编号：3609223
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3609223.html
教材专著
