碳纳米纸负载四氧化三铁催化剂用于燃料电池阴极氧还原

发布时间：2017-07-19 10:01

  本文关键词：碳纳米纸负载四氧化三铁催化剂用于燃料电池阴极氧还原

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【摘要】：燃料电池作为一种重要的能量转换器件,具有很高的能量转换效率,并且因为其较小的环境污染而受到大量的关注。然而燃料电池阴极氧还原动力学过程较为缓慢,这阻碍了电池的整体性能,故需要高效的催化剂来促进阴极反应的进行,从而进一步提高氧还原过程中的电子转移数(n)。传统的铂碳(Pt/C)催化剂具有较高的氧还原催化活性,氧还原过程中的电子转移数可以接近理论值4,但其价格昂贵且在氧还原催化过程中存在分解、凝聚、毒化等缺点,因此而受到制约。近年来的研究表明碳纳米纸(Carbon nanotubes paper, CNP)作为一种三维柔性自支撑的多孔介质材料,可以作为燃料电池氧还原催化剂的载体,且对催化剂起到固定、分散、保护等作用。电子转移数的计算,需要借助旋转圆盘电极装置进行循环伏安、线性扫描等实验。一般粉末状催化剂的测试方法已很成熟,就是将粉末配成墨水电极并在旋转圆盘电极表面成膜进行测试,而对于多孔介质材料中电子转移数的计算目前没有相关文献的报道。本论文对CNP中02扩散过程进行理论分析,在一定假设的基础上建立O2扩散模型。实验对不同厚度的CNP进行了测试,对模型中02的扩散系数进行探究,确定了此系数为一定值。扩散系数的探究进一步反映了模型建立的可行性和电子转移数计算的准确性。本论文通过理论分析,建立多孔介质材料中O2扩散模型,为多孔介质材料计算电子转移数提供了一种新方法。此外,采用电化学恒压生长的方式在CNP上沉积Fe304纳米颗粒,研究了沉积电压和沉积时间对Fe304纳米颗粒生长的影响,成功制备出CNP/Fe3O4催化剂。最后,根据所建立的模型对此催化剂的电子转移数进行计算,理论和实验结果都表明CNP/Fe3O4催化剂对氧还原过程具有较高的催化活性,电子转移数以2电子和4电子的转移模式共同进行。另外我们还化学合成了CNFs/Fe3O4复合材料,应用于微波吸收。在频率为7GHz时,其反射波的衰减为-11 dB。
【关键词】：氧还原 电子转移数 扩散系数 碳纳米纸
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 燃料电池简介10-12
• 1.2 燃料电池工作原理12-13
• 1.3 碱性介质中氧还原机理13-15
• 1.3.1 二电子转移模式13-14
• 1.3.2 四电子转移模式14-15
• 1.4 氧还原催化剂的研究现状15-19
• 1.4.1 铂系催化剂15-16
• 1.4.2 金、银及其合金催化剂16
• 1.4.3 金属螯合物催化剂16-17
• 1.4.4 金属氧化物催化剂17
• 1.4.5 碳粉末载体17-18
• 1.4.6 碳纳米纸(CNP)18-19
• 1.5 Fe_3O_4作为氧还原催化剂研究进展19-20
• 1.6 本论文的研究目的和主要内容20-21
• 1.6.1 研究目的20
• 1.6.2 主要内容20-21
• 第二章 实验原理及物理表征21-31
• 2.1 实验材料及设备21-22
• 2.1.1 主要化学试剂21-22
• 2.1.2 主要实验仪器及表征设备22
• 2.2 CNP/Fe_3O_4催化剂的制备原理22-24
• 2.2.1 制备原理22-23
• 2.2.2 制备方法23
• 2.2.3 实验装置23-24
• 2.3 电化学表征及性能评价24-26
• 2.3.1 循环伏安法(CV)24
• 2.3.2 线性扫描伏安法(LSV)24-25
• 2.3.3 旋转圆盘电极25
• 2.3.4 Kouteky-Levich方程25
• 2.3.5 电子转移数n25-26
• 2.4 物理表征26-30
• 2.4.1 扫描电子显微镜(SEM)26-27
• 2.4.2 X射线衍射(XRD)27-28
• 2.4.3 X射线光电子能谱分析(XPS)28-29
• 2.4.4 拉曼光谱(Raman)29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 CNP/Fe_3O_4催化剂的制备31-39
• 3.1 引言31
• 3.2 CNP/Fe_3O_4催化剂的制备31
• 3.3 探究Fe_3O_4电化学沉积的电压范围31-33
• 3.3.1 CV曲线分析31-32
• 3.3.2 不同沉积电压下产物的形貌分析32-33
• 3.4 探究Fe_3O_4电化学沉积的时间影响33-38
• 3.4.1 形貌分析33-35
• 3.4.2 物相分析35
• 3.4.3 元素分析35-36
• 3.4.4 拉曼分析36-37
• 3.4.5 负载量的计算37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第四章 多孔介质材料氧还原催化性能测试39-53
• 4.1 引言39
• 4.2 多孔介质材料氧气扩散模型的建立39-43
• 4.2.1 模型建立与推导39-42
• 4.2.2 多孔介质层的材料表面积42
• 4.2.3 多孔介质层O_2扩散系数42-43
• 4.2.4 电子转移数n43
• 4.3 CNP表面积的探究43-47
• 4.3.1 CNP的表面积CV测试43-45
• 4.3.2 多孔电极的电流与CNP厚度以及频率的关系45-47
• 4.4 CNP/Fe_3O_4氧还原性能的测试47-52
• 4.4.1 CNP的LSV测试47
• 4.4.2 CNP斜率曲线拟合47-49
• 4.4.3 CNP中O_2扩散系数计算49
• 4.4.4 CNP/Fe_3O_4 CV测试49-50
• 4.4.5 CNP/Fe_3O_4 LSV测试50-51
• 4.4.6 CNP/Fe_3O_4斜率曲线拟合51
• 4.4.7 CNP/Fe_3O_4氧还原过程电子转移数n51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第五章 CNFs/Fe_3O_4复合材料应用于电磁波屏蔽53-57
• 5.1 引言53
• 5.2 制备原理和方法53
• 5.3 物理表征53-56
• 5.3.1 CNFs/Fe_3O_4复合材料的物相分析53-54
• 5.3.2 表面形貌分析54
• 5.3.3 电磁波吸收测试54-56
• 5.4 本章小结56-57
• 第六章 总结与展望57-58
• 6.1 总结57
• 6.2 展望57-58
• 参考文献58-64
• 硕士期间参与的课题、取得的成果及奖励64-66
• 参与导师的研究课题64
• 硕士期间的成果64-66
• 已发表文章64
• 获奖情况64-66
• 致谢66

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本文编号：562274