【摘要】：氧還原反應(yīng)(ORR)是燃料電池中最重要的反應(yīng)之一。目前為止,催化ORR最好的催化劑為Pt基催化劑。然而,由于Pt的低豐度,易失活以及易中毒等因素,嚴(yán)重阻礙了燃料電池商業(yè)化發(fā)展。所以,研究者們一直致力于開發(fā)出一種高效、穩(wěn)定、儲(chǔ)量豐富且無污染的非貴金屬催化劑。近年來,稀土元素具有獨(dú)特的電子構(gòu)型,使得稀土具有較好的電子和催化性能。目前已有大量的稀土元素用于催化劑的制備中,并達(dá)到了預(yù)期的效果。其中,稀土氧化物作為一種非Pt催化劑在ORR催化中表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景,引起了研究者的興趣。本論文圍繞稀土氧化物與導(dǎo)電聚合物的協(xié)同優(yōu)勢(shì),以制備高效、低成本的非貴金屬催化劑為主要目的,通過對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和組分的調(diào)控,以期得到高性能的“摻雜碳層包覆稀土氧化物”復(fù)合電催化材料。在這三部分中均采用物理測(cè)試手段對(duì)制備得到的催化劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,同時(shí)采用電化學(xué)測(cè)試手段對(duì)它們的電化學(xué)性能進(jìn)行了探究。具體包括以下三部分的內(nèi)容。第一部分鑲嵌結(jié)構(gòu)的Sm_2O_3納米氧化物復(fù)合碳材料催化劑催化氧還原反應(yīng)稀土氧化物由于其獨(dú)特的電子構(gòu)型,激起了其在燃料電池領(lǐng)域的研究熱潮。稀土釤更是由于其具有可變的化合價(jià),使釤適用于催化劑和促進(jìn)劑。本章通過簡(jiǎn)單的水熱法和原位聚合法制備得到了Sm_2O_3-CN-1100復(fù)合催化劑,并研究了它在氧還原反應(yīng)中的催化性能。Sm_2O_3與CN之間的耦合效應(yīng),使Sm_2O_3-CN-1100擁有較好的穩(wěn)定性和抗甲醇性能;此外,催化劑的鑲嵌結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了Sm_2O_3和CN之間的聯(lián)系,有利于氧還原反應(yīng)的進(jìn)行。這為其它稀土氧化物在非貴金屬催化劑中的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)思路。第二部分雙金屬的LaCuO_x@CN復(fù)合催化劑催化氧還原反應(yīng)本論文第二章證實(shí)了稀土氧化物具有一定的氧還原催化活性,但與常用的Pt/C催化劑相比,仍有很大的差距。文獻(xiàn)報(bào)道雙金屬?gòu)?fù)合氧化物的性能要比單金屬氧化物的好。所以,本章結(jié)合了稀土和過渡金屬的雙重優(yōu)勢(shì),成功制備了嵌入結(jié)構(gòu)的LaCuO_x@CN復(fù)合催化劑,并且探究了其在氧還原反應(yīng)中的催化性能。研究結(jié)果表明雙金屬氧化物之間存在協(xié)同效應(yīng),使制備的催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性。與第二章制備的單金屬稀土氧化物催化劑相比,ORR催化活性有了很大的提升,與Pt/C催化劑相比,LaCuO_x@CN-900則擁有更好的穩(wěn)定性和抗甲醇性能。第三部分碳包覆NdCuO_x納米氧化物復(fù)合催化劑催化氧還原反應(yīng)雖然制備的LaCuO_x@CN-900催化劑性能已然有了很大提升,但與Pt/C催化劑相比,仍然存在差距。在第三章的基礎(chǔ)上,本章通過調(diào)節(jié)稀土-過渡金屬雙金屬氧化物的組成,制備得到了一種新型的NdCuO_x@CN-1000復(fù)合催化劑,并將其作為一種無Pt催化劑應(yīng)用于堿性介質(zhì)的氧還原催化反應(yīng)。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明NdCuO_x@CN-1000復(fù)合催化劑擁有與Pt/C相媲美的催化活性,以及比Pt/C更好的抗甲醇和穩(wěn)定性。這些良好的性能都?xì)w因于NdCuO_x與CN,以及NdCu雙金屬氧化物之間強(qiáng)的相互作用。
【圖文】：

所以，由燃料電池產(chǎn)生的電化學(xué)能源一代有望替代傳統(tǒng)的化石能源，為解決因化石能源的大量使用而造成的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題提供了新思路。如圖1.1所示為典型的燃料電池原理圖。Fig. 1.1 Fuel cell component圖 1.1 燃料電池組件燃料電池的組成與常規(guī)電池基本相似，其單體電池的組成包括兩個(gè)正負(fù)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)和電解質(zhì)。兩者的不同之處在于常規(guī)電池的活性物質(zhì)被貯存在電池的內(nèi)部，這嚴(yán)重限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件，不包含其他活性物質(zhì)。因此燃料電池真正的實(shí)現(xiàn)了將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)燃料電池運(yùn)作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，，以驅(qū)動(dòng)反

經(jīng)碳化后，制備了Nd2O3/N-C催化劑（圖 1.4），并應(yīng)用于結(jié)果表明，制備的稀土氧化釹復(fù)合催化劑具有較好的ORR催化甲醇中毒性。此外，Takahashi[57]等人研究了 CeO2-La2O3在固中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)它能產(chǎn)生較高的電流密度。Yahiro[58]等人研化物體系的電化學(xué)性能以及其在固體燃料電池中的應(yīng)用，研究雜氧化鈰復(fù)合物展現(xiàn)出較好的電導(dǎo)性以及較快的電子轉(zhuǎn)移速物具有潛在的電催化性能，也可成為貴金屬Pt催化劑很好的替稀土氧化物在電催化領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用，稀土元素有未填，這使得稀土與其復(fù)合物也表現(xiàn)出一系列催化性能[59,60]。大多屬氧化物的研究集中在磁性領(lǐng)域[61,62]，很少有文獻(xiàn)報(bào)道它們用。在稀土-過渡金屬氧化物中，鑭系原子被過渡金屬包圍，物在儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用上奠定了基礎(chǔ)[63]。所以，利用稀土-過渡電聚合物來制備高活性的非Pt催化體系，是一種行之有效的策
【學(xué)位授予單位】：西北師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB33;TM911.4

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本文編號(hào)：2627392