基于不同管状生物碳的氧还原催化剂制备及催化性能研究

发布时间：2020-05-07 03:25

【摘要】：氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)是燃料电池中将化学能转化为电能的关键反应。但由于该反应具有较高的过电位和较慢的反应速率,因此需要高效催化剂促使反应顺利进行。铂(Pt)及其合金等贵金属材料是催化氧还原反应的理想催化剂;然而,高昂的价格、较差的稳定性等限制了燃料电池的发展。以天然生物质为原料制备的碳基催化剂具有与Pt/C相当的ORR催化活性、成本低廉、制备工艺便捷等优点而引起广泛关注。本文以天然生物质为前驱体,通过简单的碳化技术制备了不同管状生物碳材料,并对其物理结构、化学组成、ORR催化活性进行了表征与测试;此外,将其应用于微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)中以评估在实际应用中的效果,主要内容如下:(1)以天然蒲桃花蕊为原料,采用低温活化与高温碳化方法制备出高比表面积、表面褶皱的多孔碳纤维。该催化剂的比表面积高达1211.3 m~2?g~(-1),在0.1 mol?L~(-1) KOH的起始电位与半峰电位分别为-0.01和-0.13 V(vs.Ag/AgCl),与Pt/C催化剂相近,所制备的蒲桃花蕊催化剂具有较好的稳定性以及较强的耐甲醇毒性。作为MFC阴极催化剂时,其电池产生的最大功率密度为915.2 mW?m~(-2),明显优于Pt/C催化剂。(2)以木棉果絮为前驱体,采用低温活化与高温碳化方法制备出N掺杂的多孔中空管状生物碳基催化剂。该碳材料在0.1 mol?L~(-1)KOH溶液中表现出良好的氧还原催化性能,半峰电位为-0.14 V(vs.Ag/AgCl),接近于商用Pt/C(-0.12 V vs.Ag/AgCl)。所制备的木棉纤维碳基催化剂具有良好的耐甲醇毒性与稳定性,在MFC实际运用过程中,其最大功率密度约为801.4 mW?m~(-2),稍高于商用Pt/C。(3)以蒲公英种籽为原料,采用热解碳化-ZnCl_2活化的方法,制备出N掺杂多孔蜂窝管状碳基催化剂,该碳材料具有丰富的多孔结构和较大的比表面积(1227.6 m~2?g~(-1)),并且其起始电位和半峰电位在碱性及中性环境中接近于商业Pt/C。此外,实际MFC催化性能测试表明,其最大功率密度高达975.3 mW?m~(-2),是Pt/C催化剂的1.25倍,具有极佳的催化效果。上述研究结果为制备低成本、高效率、环境友好ORR催化剂提供了新的思路和方法。
【图文】：

引 言2 燃料电池的原理不同类型燃料电池的结构基本近似，主要由阴极、阳极、电解质以及外工作这几个单元组成。如图 1-1 所示，，燃料电池工作时，为了提高电极化学反应，通常对电池电极进行催化剂的修饰。甲醇等燃料在催化剂的协助下发生氧应，反应物失去电子，电子通过外电路由阳极传输到阴极。反应物在阴极催的作用下，得到电子发生还原反应，从而使燃料电池产生电流[1, 2]。电流方阴极到阳极，因此阴极对应燃料电池的正极，而阳极对应燃料电池的负极

引 言量，单室微生物燃料电池仅需通风就可以被动的补充阴极气体；第五，应用广，不仅可以应用于缺乏电力基础设施的局部地区，还可对有机质污染物与重金污染进行治理，兼具环境治理与产生电能的功效，同时也满足我们对能源所需的燃料多样性，具有良好的发展潜力。
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4;TQ426

【参考文献】

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5 江世青;王亚南;尹逊亮;;微生物燃料电池及其在污水处理方面应用的研究现状[J];山东煤炭科技;2011年06期

本文编号：2652354