铁、非金属杂原子共掺杂碳基氧还原催化剂的制备及其电催化性能研究

发布时间：2022-10-20 18:46

　　目前,人类赖以生存的传统化石燃料正在被飞速的消耗,带来了温室效应、酸雨、雾霾等环境问题。全世界在面对能源危机和环境污染这两大难题时达成了普遍的共识,要全力开发绿色清洁能源。燃料电池、金属-空气电池是现今最有发展前景的清洁能源转换设备,其获得商业化应用是缓解当前难题的有效方式之一。目前,贵金属及其氧化物均为使用率最高且最为广泛的电催化剂。但是由于贵金属资源匮乏,成本昂贵且稳定性较差,不适用于大规模的工业化应用。过渡金属掺杂的碳基电催化剂因其具有更好的稳定性和抗甲醇中毒效应[1,2]逐渐成为研究人员的主要研究方向,开发一种新型成本低廉且高效的非贵金属电催化剂并促进可再生能源技术的发展已经成为全世界共同面临的机遇和挑战。本论文的基本目标在于研究探索电催化领域的重点科学问题,通过调控过渡金属的掺杂方式,制备了两种性能优异的过渡金属氧还原催化剂,且为设计和制备结构合理的过渡金属碳基电催化剂提供了新的思路。主要研究内容如下:一、机械化学法制备高性能铁掺杂碳基氧还原催化剂。利用机械球磨法一步合成含Fe的ZIF-8和氯化钠的混合前驱体,经过高温碳化制备了一种富含边缘的三维片状多孔氧还原催化剂（3D-S... 

【文章页数】：103 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 金属-空气电池
        1.2.1 金属-空气电池的概述及发展历程
        1.2.2 锌-空气电池
            1.2.2.1 锌-空气电池的原理
            1.2.2.2 锌-空气电池的发展展望和挑战
    1.3 燃料电池
        1.3.1 燃料电池的概述及发展历程
        1.3.2 燃料电池的分类和性能
            1.3.2.1 燃料电池分类
            1.3.2.2 燃料电池性能
        1.3.3 燃料电池的发展展望和挑战
    1.4 氧还原电催化
        1.4.1 氧还原(ORR)催化剂概述
        1.4.2 贵金属氧还原催化剂(PMCs)
        1.4.3 非贵金属氧还原催化剂(NPMCs)
            1.4.3.1 过渡金属碳基氧还原催化剂
            1.4.3.2 无金属碳基氧还原催化剂(CMFCs)
    1.5 本论文的选题意义和主要研究内容
第二章 实验部分与表征
    2.1 实验试剂与仪器
        2.1.1 实验试剂
        2.1.2 实验仪器
    2.2 实验表征
        2.2.1 催化剂理化性质表征
            2.2.1.1 扫描电子显微镜(SEM)形貌表征
            2.2.1.2 透射电子显微镜(TEM)及高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)形貌表征
            2.2.1.3 原子力显微镜(AFM)形貌表征
            2.2.1.4 X射线衍射(XRD)表征
            2.2.1.5 拉曼光谱(Raman)表征
            2.2.1.6 比表面积(BET)和孔隙分析表征
            2.2.1.7 X射线光电子能谱(XPS)表征
        2.2.2 催化剂电化学性能表征
            2.2.2.1 工作电极测试的准备工作
            2.2.2.2 循环伏安法(CV)测试
            2.2.2.3 线性扫描伏安法(LSV)测试
            2.2.2.4 旋转环盘电极(RRDE)测试
            2.2.2.5 抗甲醇毒性测试
            2.2.2.6 稳定性测试
        2.2.3 能源器件电化学性能表征
            2.2.3.1 质子交换膜燃料电池的组装与测试
            2.2.3.2 锌-空气电池组装与测试
第三章 机械化学法制备高性能铁掺杂氧还原催化剂及其在能源器件中的应用
    3.1 引言
    3.2 材料的制备
        3.2.1 三维片状结构单原子催化剂(3D-SAFe-NC)的制备过程
        3.2.2 其他催化剂的制备过程
    3.3 实验结果与讨论
        3.3.1 材料的结构表征与讨论
        3.3.2 材料的电化学性能表征与讨论
    3.4 结论
第四章 超分子自组装法制备铁掺杂碳基氧还原催化剂及其应用
    4.1 引言
    4.2 材料的制备
        4.2.1 超分子的制备
        4.2.2 铁掺杂超分子的制备
        4.2.3 氧还原催化剂NPC及NPC-Fe_x的制备
    4.3 实验结果与讨论
        4.3.1 材料的结构表征与讨论
        4.3.2 材料的电化学性能表征与讨论
    4.4 结论
第五章 结论与展望
参考文献
致谢
研究成果及发表的学术论文
作者及导师简介
附件


【参考文献】：
期刊论文
[1]金属空气电池的发展及应用[J]. 许艳芳,郑克文.  舰船科学技术. 2003(01)
[2]燃料电池电动汽车的技术难关和发展前景[J]. 陈全世,齐占宁.  汽车工程. 2001(06)
[3]金属空气电池技术研究进展[J]. 冯晶,陈敬超,肖冰.  材料导报. 2005(10)
[4]质子交换膜燃料电池研究现状[J]. 聂明,张连营,李庆,何璧.  表面技术. 2012(03)
[5]金属空气电池技术的研究进展[J]. 温术来,李向红,孙亮,赵寰宇,范家斌.  电源技术. 2019(12)



本文编号：3695107