【摘要】：現(xiàn)代社會,能源危機與環(huán)境問題已經(jīng)嚴重影響了人類的健康,制約了社會的進步。在可持續(xù)發(fā)展的道路上,綠色新能源技術(shù)成為改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)的重要手段,受到全世界的關(guān)注。低溫燃料電池可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能,并且無除水外的其它產(chǎn)物。這種清潔高效的能量轉(zhuǎn)化技術(shù)近年來在研究者們的一致努力下,得到了迅速發(fā)展,成為新能源體系構(gòu)建道路上一個重要的分支。目前,阻礙燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的首要因素就是陰極貴金屬催化劑的高成本和稀缺性。因此,開發(fā)廉價易得、高效穩(wěn)定的非貴金屬氧還原陰極催化劑,成為燃料電池產(chǎn)業(yè)中的一個重要研究方向。在現(xiàn)已研制出的非貴金屬催化劑中,過渡金屬氮碳化物材料(M-N-C)因其極高的活性、低廉的價格、豐富的儲量和繁多的種類被認為是一種前景良好的氧還原催化劑,但該類催化劑仍存在活性位爭議、穩(wěn)定性差以及氧還原機理不清晰等問題。本論文通過摻雜、自組裝、模板、水熱、熱解等方法制備了具有特殊形貌的碳基過渡金屬氮碳化物復(fù)合材料,并深入研究了其結(jié)構(gòu)、組成和催化氧還原反應(yīng)中的綜合性能。取得的研究成果如下:(1)選擇尿素為碳源和氮源,Co(OAc)_2為金屬源,P123為軟模板劑,高溫熱解后成功制備出具有典型管狀結(jié)構(gòu)的鈷氮共摻雜碳納米管(Co-N-CNTs)。測試結(jié)果表明,原料中尿素、Co(OAc)_2和P123的質(zhì)量比為3:0.5:1.5,700℃制備出的Co-N-CNTs具有最優(yōu)異的氧還原催化活性。酸性條件下,催化氧還原的起始電位和半波電位分別達到0.95V和0.75 V,均達到商業(yè)Pt/C催化劑的水平。Co-N-CNTs催化的氧還原反應(yīng),無論在堿性還是酸性溶液中,均為直接4e~-途徑,且都顯示出了優(yōu)于Pt/C的耐甲醇性能和穩(wěn)定性。多種表征手段和毒化實驗表明Co-N-CNTs催化劑在氧還原反應(yīng)中,Co-N結(jié)構(gòu)是起關(guān)鍵催化作用的有效活性位點。(2)在現(xiàn)有ZIF-8合成方法中添加一定量的Fe(acac)_3,高溫退火后得到一種新穎的鐵氮摻雜的多孔碳/碳納米管復(fù)合材料(Fe-NC@CNTs)。Fe-NC@CNTs中存在大量孔道,且具有高的石墨化程度和導(dǎo)電性。Fe-NC@CNTs-0.4(原料中Fe加入量為0.4 mmol)顯示出最優(yōu)異的氧還原催化活性,在堿性介質(zhì)中催化氧還原的起始電位和半波電位分別達到0.995 V和0.897 V;酸性介質(zhì)中達到1.030 V和0.880 V,全部優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑和已知文獻中報道的大部分材料的ORR催化活性。酸洗實驗和NaSCN毒化實驗等確定了該復(fù)合材料在氧還原反應(yīng)中的催化活性位點主要是Fe-N_x。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TB33
【圖文】：

圖 1-1 堿性燃料電池工作原理示意圖[10]Fig. 1-1 Schematic diagram of AFC working principle[10]過電勢極小，堿性燃料電池具有較大的工作電壓，并且其中FC 中的高濃度 KOH 電解液溶液和空氣中的 CO2反應(yīng)后生碳酸鹽，同時也會減少 OH-數(shù)量而減低電解質(zhì)電導(dǎo)率[12]。換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理示意圖，基本組成構(gòu)件為：和質(zhì)子交換膜。膜（PEM）為 PEMFC 的核心組件，這種薄膜的厚度為 50~的微觀結(jié)構(gòu)，目前普遍使用的是杜邦公司的 Nafion 膜[13]。

了一層多孔薄層，這些薄層是直接由電催化劑構(gòu)成或分散有催成。在催化層的外側(cè)，還有用聚四氟乙烯壓貼到上面的碳粉擴）。集流層常使用石墨。料的不同，質(zhì)子交換膜燃料電池又可分為氫氧燃料電池、直接O2燃料電池為例，圖 1-2 為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。在陽極，下發(fā)生氧化，生成質(zhì)子，并釋放出電子，質(zhì)子通過 PEM 到達陰在催化劑催化作用下發(fā)生還原反應(yīng)生成水。整個反應(yīng)過程中，對外做功。陽極和陰極的反應(yīng)如下[14]：的氧化反應(yīng)： H 2H 2e2的還原反應(yīng)： OHeHO222221 為： OHHO22221

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

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本文編號：2719012