基于氮掺杂碳材料的燃料电池非贵金属阴极催化剂的研究

发布时间：2024-12-21 09:27

　　最近几年,新能源汽车快速发展,氢燃料电池车具有与内燃汽车接近的续航能力和快速补充燃料的能力,发展前景良好。质子交换膜燃料电池由于功率密度高、启动迅速的优点非常适用于交通工具。阻碍其大规模应用的主要因素是成本,研究低成本的非贵金属阴极催化剂,对于降低燃料电池的成本具有重要的意义。非贵金属阴极催化剂中最有前景的种类是氮掺杂碳材料和金属-氮-碳材料。相对于其他类型的非贵金属阴极催化剂,金属-氮-碳材料的非贵金属催化剂在酸碱性条件下均表现出很高的氧还原活性,且在酸性条件下的稳定性显著高于金属氧化物类非贵金属催化剂。氮掺杂碳材料和金属-氮-碳类非贵金属阴极催化剂的合成路线多种多样,但大部分的合成路线都需要高温加热。常用的高温加热装置管式炉加热效率低,升温速率低,使非贵金属催化剂的制备浪费时间和能源。本文利用微波法合成掺氮石墨烯作为非贵金属阴极催化剂,利用石墨烯的高微波吸收率,实现了对前驱体的选择性加热,将高温加热时间从数小时减少到不到1分钟,从而大大减少了高温反应的耗能。通过对不同微波加热时间的样品的电化学测试,表明催化剂在氨气气氛中微波加热10s后即达到最优的氧还原活性,进一步延长反应时间,氧还...

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图２．?１不同微波时间的催化剂氧还原性能对比??实验结果表明，微波法掺氮显著提高了催化剂的氧还原活性，且反应所需的??

５ｓ、１０ｓ、３０ｓ），从而得到一系列不同的催化剂样品，分别标记为ＮＧ－２ｓ、ＮＧ－５ｓ、??ＮＧ－ｌ〇Ｓ、ＮＧ－３０ｓ，加上未经过微波掺氮处理的石墨烯Ｇ作为对照组，分别测试??了其氧还原活性。结果如图２．１：??ｒｐｒｆ??－６?Ｈ—？—｜?？?｜?＜?ｉ?？?ｉ?１?ｉ?１?....

图２．２不同微波时间的催化剂ＸＰＳ泛扫谱图??ＸＰＳ谱图中２８４ｅＶ、４００ｅＶ和５３２．６ｅＶ处的峰值分别对应于Ｃｌｓ、Ｎｌｓ、Ｏｌｓ??峰

贵金属催化剂反应只需要约１０ｓ即可完成。进一步延长加热时间并不会提高催化??剂活性。为了进一步研究催化剂合成的机理，采用ＸＰＳ对催化剂表面进行分析，??结果如图２．２所示：???Ｇ?Ｃｌｓ???ＮＧ－２Ｓ???ＮＧ－５Ｓ???ＮＧ－１０Ｓ??＾?ＮＧ－３０Ｓ?Ｏｌｓ??ＣＤ?Ｎｌ....

图２．?３不同微波时间的催化剂样品ＸＰＳ?Ｎｌｓ谱图分峰（ａ）?ＮＧ－２ｓ；?（ｂ＞?ＮＧ－５ｓ；?（ｃ＞?ＮＧ－丨Ｏｓ；??（ｄ）?ＮＧ－３０ｓ??

贵金属催化剂反应只需要约１０ｓ即可完成。进一步延长加热时间并不会提高催化??剂活性。为了进一步研究催化剂合成的机理，采用ＸＰＳ对催化剂表面进行分析，??结果如图２．２所示：???Ｇ?Ｃｌｓ???ＮＧ－２Ｓ???ＮＧ－５Ｓ???ＮＧ－１０Ｓ??＾?ＮＧ－３０Ｓ?Ｏｌｓ??ＣＤ?Ｎｌ....

图２．?４催化剂氧还原性能与石墨氮含量的关系对比图??由此可以推断，在掺氮石墨烯非贵金属氧还原催化剂中，对氧还原活性起决??

１０－３０ｓ之间，氮含量仍然升高，但是催化剂活性却几乎没有改变。详细分析氮原??子的类型我们发现，石墨氮的含量变化与催化剂活性变化的规律呈现明显的正相??关。如图２．４所示：??Ｊ?＇?１?１?１?［－１．４??—■—石墨氮质量分数??？?一□—ＯｊＶＴ电流密度?一???＿＿＿■....

本文编号：4018774