基于ZIFs的铁、氮共掺杂炭催化剂制备及氧还原性能研究

发布时间：2022-10-29 18:41

　　燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的能量转换装置,具有高效、清洁等优点,在电动汽车、便携电源等领域具有广泛的应用前景。然而,燃料电池阴极采用贵金属铂催化氧还原反应,该催化剂成本高且储量有限,限制了燃料电池的应用。因此,设计低成本、高性能的非贵金属催化剂具有重要意义。金属有机骨架材料（MOFs）由于具有周期性分布的金属和含杂原子修饰的有机配体,并且通过配位作用形成了有序多孔网络结构,被广泛用作前驱体制备过渡金属、氮共掺杂炭催化剂（TM-N-C）。然而,MOFs高温热解过程中易发生结构坍塌,造成孔结构破坏、比表面积下降,导致部分活性位点被包埋于炭材料内部,限制了 TM-N-C氧还原催化活性的进一步提升。基于此,本文利用过渡金属与有机配体的配位作用,分别设计制备了具有核壳结构、金属元素梯度分布的双金属沸石咪唑酯金属有机骨架材料（ZIFs）。以其为前驱体热解制备了系列高性能铁、氮共掺杂炭氧还原催化剂,改善了孔结构,提高了活性位点利用率,并阐明了 ZIFs前驱体组成与结构对催化剂性能的影响规律。首先,针对ZIFs前驱体在热解过程中结构易坍塌的问题,采用ZIF-8一步氧化制备的ZnO为支撑体,外... 

【文章页数】：98 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 质子交换膜燃料电池概述
    1.3 氧还原反应概述
    1.4 氧还原催化剂研究进展
        1.4.1 贵金属铂催化剂
        1.4.2 过渡金属化合物催化剂
        1.4.3 杂原子掺杂炭催化剂
        1.4.4 过渡金属、氮共掺杂炭催化剂
    1.5 基于金属有机骨架材料的过渡金属、杂原子共掺杂炭催化剂研究进展
        1.5.1 金属有机骨架材料简介
        1.5.2 基于金属有机骨架材料的过渡金属、氮(磷、硫)共掺杂炭催化剂
        1.5.3 基于负载型金属有机骨架材料的过渡金属、杂原子共掺杂炭催化剂
    1.6 本文研究意义、研究内容和创新点
        1.6.1 研究意义
        1.6.2 研究内容
        1.6.3 创新点
第二章 实验部分
    2.1 实验试剂及仪器
    2.2 催化剂制备
        2.2.1 基于ZnO@Fe-ZIF的铁、氮共掺杂炭催化剂制备
        2.2.2 基于梯度分布Fe/Zn双金属ZIFs的铁、氮共掺杂炭催化剂制备
    2.3 物理化学表征
        2.3.1 扫描电子显微镜
        2.3.2 透射电子显微镜
        2.3.3 氮气等温吸脱附测试
        2.3.4 热重分析
        2.3.5 X射线衍射
        2.3.6 拉曼光谱
        2.3.7 X射线光电子能谱
        2.3.8 电感耦合等离子体光谱
        2.3.9 X射线吸收近边结构
        2.3.10 穆斯堡尔谱
    2.4 氧还原催化性能测试
        2.4.1 工作电极制备
        2.4.2 循环伏安测试(CV)
        2.4.3 线性极化曲线测试(LSV)
        2.4.4 计时电流测试
第三章 基于ZnO@Fe-ZIF的铁、氮共掺杂炭催化剂
    3.1 ZnO@Fe-ZIF前驱体可控制备及物性表征
        3.1.1 ZIF-8制备及物性表征
        3.1.2 ZnO制备及物性表征
        3.1.3 ZnO@Fe-ZIF制备及物性表征
    3.2 铁、氮共掺杂炭催化剂(Fe-N-C)可控制备及氧还原性能
        3.2.1 Fe-N-C制备及物性表征
        3.2.2 Fe-N-C氧还原催化性能
    3.3 配体含量对Fe-N-C催化剂氧还原性能的影响
    3.4 铁盐含量对Fe-N-C催化剂氧还原性能的影响
    3.5 本章小结
第四章 基于梯度Fe/Zn双金属ZIFs的铁、氮共掺杂炭催化剂
    4.1 梯度Fe/Zn双金属ZIFs可控制备及物性表征
        4.1.1 形貌及晶体结构表征
        4.1.2 生长机理探究
        4.1.3 比表面积与孔结构分析
    4.2 铁、氮共掺杂炭催化剂(Fe,N-HPCC)可控制备及氧还原性能
        4.2.1 Fe,N-HPCC制备及物性表征
        4.2.2 Fe,N-HPCC氧还原催化性能研究
    4.3 碳化温度对Fe,N-HPCC催化剂氧还原性能的影响
    4.4 Zn/Fe摩尔比对Fe,N-HPCC催化剂氧还原性能的影响
    4.5 本章小结
第五章 全文总结
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



本文编号：3698221