钴（钴铁）-氮掺杂碳纳米纤维的制备及其电催化性能研究

发布时间：2020-04-26 15:21

【摘要】：燃料电池与金属空气电池作为新兴的化学能装换装置与二次电池,具有清洁高效的特点,能够缓解日益突出的能源和环境问题,但其阴极缓慢的动力学和昂贵的催化剂成本制约了它们的大规模应用,因此,需要开发经济高效、易于规模化的氧电极催化剂。相对贵金属,储量丰富、价格便宜的过渡金属在氧电极催化中体现了潜力。静电纺丝技术具有易于放大、工业化的特点,但目前研究者们大多使用高污染的有机溶剂电纺体系制备碳纤维材料,因此,开发无污染、环境友好的水相静电纺丝技术,应用于碳基纤维催化材料的制备中,具有更大的研究价值和实际应用意义。本研究选取生物质衍生物壳聚糖作为碳源,采取水相静电纺丝的方法来制备碳基纳米纤维;通过综合热分析研究碳基纳米纤维在惰性气氛中的热解特性,设计慢速升温、恒温热解程序,来控制金属在纳米纤维热解过程中的团聚现象;并考察所得碳基纳米纤维在氧还原和氧析出/氧还原反应中的催化性能。主要研究内容与结论如下:(1)通过理性分析各前驱物的性质和各组分的比列变化对静电纺丝工艺参数的影响,合理设计边界条件和探索实验,采用线性规划的方法得到了纺丝前驱物配比的可行区域,并从优化ORR性能的角度在该区域内选择了最佳前驱物配比:PEO:CS:钴源:PEI(50%)=1.4:1:0.1:0.8;通过分析各前驱物及其复合物在惰性气氛下热解规律,得到原丝热解的最佳慢速升温、恒温程序;最佳样品Co-N-CNF-LM中钴分布均匀,在碱性条件下,催化氧还原性能非常接近商业Pt/C的催化性能,其催化氧还原的起始电位和半波电位分别为0.930V和0.812V(vs RHE),极限电流密度为4.3 mA cm~(-2),电子转移数为3.70,动力学电流密度达24.43 mA cm~(-2),塔菲尔斜率为-48.5 mV dec~(-1),且具有比Pt/C更好的甲醇耐受性。(2)将上述水相体系静电纺丝结合慢速程序升温、恒温热解的方法拓展到钴铁双金属掺杂碳基纤维CoFe/CoFe_2O_4-CNFs的制备。研究了热解方式、两种金属(钴和铁)前驱物的比例和加入量对所得纤维中CoFe合金颗粒和CoFe_2O_4颗粒粒径、及其对OER/ORR电催化性能的影响,发现金属分散剂PEI的加入与慢速程序升温热解都有利于金属颗粒粒径减小,提高了电化学活性表面积和催化氧电极反应的性能,所得最佳样品Co_(12)Fe_(18)-CNF,在0.1M KOH中的电位差(E_(10)-E_(1/2))为0.979 V,比Pt/C+RuO_2的电位差(E_(10)-E_(1/2))略大,相差64 mV。
【图文】：

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1-1 碱性阴离子交换膜燃料电池工作原理示意图[9]re 1-1 Schematic of AAEMFC operating principle[9池工作原理四部分组成：以金属作为阳极（anode），空子电解质，隔膜。常见的阳极金属通常采用-空气电池可以分为两种类型：一种使用含使用有机电解质，如有机体系或有机-水混在放电过程中，金属阳极被氧化并将电子阳极的电子并被还原成含氧物质。氧还原物并与对应物结合形成金属氧化物。相反，充

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图 1-2 金属 - 空气电池工作原理示意图[10]。Figure 1-2 Schematic diagram of a metal air battery working principle[10].电极反应机理还原反应机理原的电化学过程比较复杂，涉及几个基本步骤的多电子转移过程。的模型是 Wroblowa 提出的通过“直接四电子”或“两步过氧化物”过简化途径[11]。如图 1-3（a）所示， O2可以直接通过 4 电子过程还学速率常数为 k1。或者，，它可以以 2 电子过程还原为吸附的 H2O k2，随后，H2O2可以以速率常数 k3进一步还原成水；或者，H2O2 k4在电极表面上分解成 O2；或解吸到电解质溶液中（速率常数 k5RR 电催化剂使得反应主要以“四电子”过程进行，使得电效率更高
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4;TQ340.1

【参考文献】