铜系纳米阵列催化剂的结构调控及其在水合肼燃料电池中的应用

发布时间：2017-06-28 07:18

  本文关键词：铜系纳米阵列催化剂的结构调控及其在水合肼燃料电池中的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在21世纪,能源环境等问题是目前比较突出的生态问题之一,寻找新型能源技术是科学工作者们致力的工作之一,而燃料电池发展迅猛,是目前安全高效的电池技术之一,它的发展蒸蒸日上。人们正通过不断的探索和开发来提高燃料电池的效率,在这之中电极的状态,大小和表面结构等因素将会影响到燃料电池的电催化活性。优化电极材料的组成和结构成为提高电化学活性的前提。目前燃料电池的电极大多都是贵金属等材料,且大多数都缺少稳定性评价,因此对于结构稳定,性能优异,价格低廉的燃料电池电极材料研究迫在眉睫。作为新一代燃料电池负极材料,铜系材料具有一定的催化活性,价格低廉,易制备,但是目前对其研究较少。同时,纳米阵列作为一种高度有序的结构,成为了现代电极材料的新选择。本论文通过调控铜系材料的组成和结构,以及评价其在燃料电池负极的水合肼氧化反应的催化性能,—开展水合肼燃料电池中铜系纳米催化剂的结构调控与性能研究。本文将主要从以下方面进行展开：首先,通过一步电化学沉积方法,在铜片和泡沫铜导电基底上分别制备出一类铜纳米阵列材料,合成的铜纳米材料具有三维竖直片状的阵列形貌。对其进行一系列的结构表征和电化学测试,结果显示该材料单位面积上Cu载量高,为3mg cm-2,且具有超疏气性质有利于气体产物的扩散,因此其具有良好的电催化氧化水合肼性能(在-0.6V时达到约130mA cm-2的电流密度),并配合商用铂碳电极在燃料电池中也表现出优秀的电催化性能(在80℃时达到161mW/cm2的功率密度)。本文探讨了沉积时间,电解液组成和浓度,基底的选择等条件对产物形貌和性能的影响。该材料制备过程简单经济,合成的有序阵列结构式催化剂,具有很好地水合肼电催化氧化稳定性,性能超越目前大部分的报道,在水合肼燃料电池负极材料的应用上具有极大的研究价值。受铜纳米阵列材料的启发,鉴于镍的高效催化活性,随后调整一步电化学沉积方法的条件,在铜片和泡沫铜导电基底上分别制备出-类铜镍合金纳米阵列材料,其具备三维花瓣状纳米阵列形貌。一系列的结构表征和电化学测试显示该材料具有较大的比表面积(6951μF cm-2),单位面积上金属载量高(2.2mgcm-2),且具有超疏气性质,因此其电催化氧化水合肼性能良好(在-0.6V时达到约300mA cm-2的电流密度),稳定性超越目前大部分的报道(5000s后活性依旧保持80%以上)。此外,我们系统探讨了沉积时间和电压等条件对产物形貌和性能的影响,优化了实验条件。该材料作为一种高效,稳定,廉价的水合肼燃料电池的负极材料,在实际中具有极大的潜在应用价值。
【关键词】：铜系纳米阵列 电催化剂 水合肼催化氧化 超疏气
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 课题研究背景13
• 1.2 直接肼燃料电池与水合肼电催化氧化反应简介13-14
• 1.3 直接肼燃料电池负极催化剂研究进展14-18
• 1.3.1 纯金属材料负极催化剂15-17
• 1.3.2 复合材料(合金)负极催化剂17-18
• 1.4 金属纳米材料结构形貌的研究进展18-21
• 1.4.1 纳米阵列结构简介18-19
• 1.4.2 纳米阵列结构的研究进展19-21
• 1.5 本论文的研究意义和主要研究内容21-23
• 第二章 铜系纳米阵列催化剂的合成与其结构性能表征方法23-29
• 2.1 引言23
• 2.2 实验药品和装置23-24
• 2.2.1 主要试剂23
• 2.2.2 主要仪器23-24
• 2.3 铜系纳米阵列催化剂的合成方法24-25
• 2.3.1 铜纳米阵列催化剂的合成方法24-25
• 2.3.2 铜镍合金纳米阵列催化剂的合成方法25
• 2.4 铜系纳米阵列材料的结构性能表征技术与方法25-29
• 2.4.1 透射电子显微镜(TEM)25
• 2.4.2 扫描电子显微镜(SEM)25-26
• 2.4.3 X射线衍射(XRD)26
• 2.4.4 X射线光电子能谱(XPS)26
• 2.4.5 水合肼电化学催化氧化测试26
• 2.4.6 水合肼燃料电池测试26
• 2.4.7 气泡与材料的粘附力测试与高速摄像机过程拍摄26-29
• 第三章 铜纳米阵列催化剂的结构调控及其在水合肼燃料电池中的应29-43
• 3.1 引言29-30
• 3.2 实验部分30
• 3.3 结果与讨论30-41
• 3.3.1 铜纳米阵列催化剂的形貌结构研究30-34
• 3.3.2 铜纳米阵列催化剂的水合肼催化氧化性能研究34-37
• 3.3.3 铜纳米阵列催化剂在水合肼燃料电池中的应用研究37-38
• 3.3.4 铜纳米阵列催化剂高催化性能的原因分析38-41
• 3.4 本章小结41-43
• 第四章 铜镍合金纳米阵列催化剂的结构调控及其在水合肼电催化氧化中的应用43-57
• 4.1 引言43-44
• 4.2 实验部分44
• 4.3 结果与讨论44-56
• 4.3.1 铜镍合金纳米阵列催化剂的形貌结构研究44-49
• 4.3.2 铜镍合金纳米阵列催化剂的水合肼催化氧化性能研究49-53
• 4.3.3 铜镍合金纳米阵列催化剂高催化性能的原因分析53-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第五章 结论57-59
• 参考文献59-66
• 致谢66-67
• 研究成果和发表的学术论文67-68
• 作者及导师简介68-69
• 附件69-70

【参考文献】

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1 Qiu Yang;Zhiyi Lu;Junfeng Liu;Xiaodong Lei;Zheng Chang;Liang Luo;Xiaoming Sun;;Metal oxide and hydroxide nanoarrays: Hydrothermal synthesis and applications as supercapacitors and nanocatalysts[J];Progress in Natural Science:Materials International;2013年04期

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本文编号：492980