燃料电池阴极含硅纳米碳催化剂的制备

发布时间：2017-06-09 14:03

  本文关键词：燃料电池阴极含硅纳米碳催化剂的制备，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：燃料电池是未来最有希望替代传统能源的发电装置,然而目前所使用的阴极贵金属铂催化剂成本高,稳定性差和抗毒化能力弱的缺点,已成为了制约燃料电池规模化应用的一大瓶颈。近年来开发成本低、催化性能高和耐甲醇毒化能力强的新型非金属杂原子掺杂碳催化剂已经成为燃料电池阴极电催化领域的一研究热点。为进一步开发性能更高的非金属掺杂燃料电池阴极碳催化剂,本论文尝试在碳的网络结构中引入新型掺杂原子-硅原子,并对所获得硅掺杂纳米碳催化剂的氧还原电催化性能、稳定性及耐甲醇渗透性进行考察,即:采用化学气相沉积法制备出硅掺杂的碳纳米微球(Si-CNSs),对Si-CNSs进行了物理表征和氧还原性能测试。结果表明尽管硅的原子半径较大,但仍然可以掺入碳的网络结构并引起碳材料氧还原的巨大改善。在碱性条件下Si-CNSs氧还原甚至达到无掺杂CNSs的2.4倍,催化氧还原反应的电子转移数(2.8)远高于CNSs(2.0)。此外,Si-CNSs的稳定性和耐甲醇性能均超越了商业Pt-C。鉴于碳纳米管较大的比表面积,常拥有比碳纳米微球较高的电催化性能,所以本论文还尝试采用铁钼氧化铝催化剂制备出不同含硅量的碳纳米管并进行了电催化性能测试。结果表明所制备的硅掺杂碳纳米管碱性条件下的氧还原性能均高于纯碳纳米管;且其电催化性能同硅掺杂量并不成正比关系,而是呈现出先增大后减小的规律。硅掺杂后,碳纳米管的能级差从2.75 eV降低到了2.01 eV;催化氧还原的电子转移数从2.17增加了3.06;氧气的吸附模式发生改变,表明硅掺杂碳纳米管更加容易将电子转移给氧气。与此同时,为进一步提高硅掺杂碳催化剂活性,所以本论文还尝试采用二元共掺杂方式制备硅氮共掺杂的碳纳米管(SiN-CNTs),并考察温度对SiN-CNTs氧还原催化性能的影响。结果表明:700 oC是制备SiN-CNTs的最佳温度(SiN-CNTs700)。SiN-CNTs700在-1.0到-0.1 V之间的扩散电流密度约为N-CNTs700的1.4-2.6倍;在-0.45到-0.1 V之间的扩散电流密度甚至超过了商业Pt-C。SiN-CNTs700催化氧还原的电子转移数为3.3,远高于纯碳纳米管(约为2.0)。理论化学计算表明:硅氮共掺杂后,石墨烯的能级差从2.53 eV降低到了1.53 eV,更加容易将电子转移给O2,强烈促进碳材料催化氧还原反应的进行。同时SiN-CNTs700具有比Pt-C更加优异的稳定性和耐甲醇毒化能力。值得注意的是,本论文是首次证实硅掺杂可以改善碳材料在碱性条件下的电催化性能,展现出了广阔的应用前景。
【关键词】：燃料电池 氧还原 非金属掺杂 硅掺杂碳催化剂 耐甲醇
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4;O643.36
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-17
• 1 绪论17-29
• 1.1 研究背景及意义17
• 1.2 燃料电池综述17-28
• 1.3 本课题研究内容28-29
• 2 实验29-33
• 2.1 实验试剂及仪器29-30
• 2.2 催化剂表征30-31
• 2.3 电化学测试31-33
• 3 硅掺杂碳纳米微球的制备及氧还原性能研究33-44
• 3.1 硅掺杂碳纳米微球的制备33
• 3.2 硅掺杂碳纳米微球的表征33-37
• 3.3 硅掺杂碳纳米微球氧还原性能测试37-39
• 3.4 硅掺杂碳纳米微球耐甲醇性能测试39-40
• 3.5 硅掺杂碳纳米微球稳定性能测试40-41
• 3.6 硅掺杂碳纳米微球催化氧还原反应机理41-43
• 3.7 本章小结43-44
• 4 硅掺杂碳纳米管的制备及氧还原性能研究44-57
• 4.1 硅掺杂碳纳米管的制备44
• 4.2 硅掺杂碳纳米管的表征44-49
• 4.3 硅掺杂碳纳米管氧还原性能测试49-52
• 4.4 硅掺杂碳纳米管耐甲醇性能测试52-53
• 4.5 硅掺杂碳纳管稳定性能测试53-54
• 4.6 硅掺杂碳纳米管催化氧还原反应机理54-56
• 4.7 小结56-57
• 5 硅氮共掺杂碳纳米管的制备及氧还原性能研究57-70
• 5.1 硅氮共掺杂碳纳米管的制备57-58
• 5.2 硅氮共掺杂碳纳米管的表征58-62
• 5.3 硅氮共掺杂碳纳米管氧还原性能测试62-65
• 5.4 硅氮共掺杂碳纳米管耐甲醇性能测试65-66
• 5.5 硅氮共掺杂碳纳米管稳定性能测试66
• 5.6 硅氮共掺杂碳纳米管催化氧还原反应机理66-68
• 5.7 小结68-70
• 6 结论与创新点70-72
• 6.1 结论70-71
• 6.2 创新点71-72
• 参考文献72-81
• 附录81-86
• 作者简历86-88
• 学位论文数据集88

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