隨著傳統(tǒng)化石能源供應的枯竭以及能源消耗帶來的氣候、環(huán)境變化使得開發(fā)清潔能源迫在眉睫。在未來的幾十年,清潔技術能量存儲轉換裝置,如燃料電池、金屬空氣電池以及超級電容器等將是研究的重點。其中,質子交換膜燃料電池(PEMFC)作為新型能源儲存與轉換裝置,被廣泛應用于航空航天、交通運輸、通信、便攜式電源等各個領域。但是,PEMFC的大規(guī)模實際工業(yè)化仍然受到傳統(tǒng)的鉑基陰極催化劑成本高,耐久性不足的制約。因此,開發(fā)一種低成本,高活性,耐久性良好的氧還原反應(ORR)陰極非貴金屬催化劑勢在必行。目前,過渡金屬和雜原子共摻碳材料(M-N/C)因其低成本,來源廣泛,高性能以及更好的甲醇、一氧化碳耐受性而倍受青睞,M-N/C也因而被高度評價為替代Pt/C的最有希望的候選者之一。在本工作中,通過添加十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)表面活性劑并調節(jié)碳納米管(CNTs)的用量,使苯胺單體在CNTs表面上聚合生成聚苯胺長鏈。熱處理以后,聚苯胺(PANI)形成碳納米片,CNTs作為支架,撐起碳納米片形成多孔蓬松的網狀結構。結果表明,所制備的碳納米管插層Co/N共摻雜碳納米片(CNTs-Co/NC)具有較高的比表面積(1072 m~2/g)和豐富的介孔,這有利于暴露更多的活性位點,加速反應物的擴散和電子傳遞。在0.1M KOH中,CNTs-Co/NC表現(xiàn)出提高的ORR活性,起始電勢為0.95V,半波電勢高達0.84V(vs.RHE)。計時電流測試表明,CNTs-Co/NC在堿性介質中展示出略高于商業(yè)Pt/C催化劑的穩(wěn)定性以及CO、甲醇抗中毒性能。此外,作為鋅空氣電池的陰極,在放電電流密度為5和20 mAcm~(-2)下表現(xiàn)出超過15小時的穩(wěn)定性,非常適合于便攜式電子和電化學能量器件的實際應用。此外,本文創(chuàng)新性的以含氮、磷量均很高的六氯環(huán)三磷腈為N、P源,以石墨烯和聚苯胺為碳基體,采用一步法合成了N、P共摻雜碳電催化劑(Co-P/NC)。研究表明,P原子的摻雜可以改善ORR性能:在0.1M KOH中,Co-P/NC起始電勢達到0.92V,半波電勢達到0.805V。以Co-P/NC作為鋅空氣電池的陰極催化劑,在5和20 mAcm~(-2)放電電流密度下均展示出超過20小時的穩(wěn)定性。
【學位單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;TB383.1
【部分圖文】：

鋰空氣和鋅空氣電池是目前研究的主流。其中，Li-air 電池是討論最多也最負爭議。鋰很活潑，很容易與空氣或水的反應，點燃易燃有機電解質。另一方面有限的鋰資源只分布在澳大利亞和智利特殊的天然礦藏中[28]，增加了 Li-air 電池的成本。因此，即便具有極高的理論比能量密度（~5200Whkg-1）[29]，安全和經濟問題極大地限制了 Li-air 電池大規(guī)模的實際商業(yè)化。即使理論能量密度（~1084Wh·kg-1）低于 Li-air 電池，但是礦藏量大，安全性高，平衡電位低，放電電壓平穩(wěn)，使用壽命長等優(yōu)點進一步保證了鋅空氣電池的蓬勃發(fā)展，并為能源需求提供巨大的市場。

圖 1-2 PEMFC 的結構組成示意圖。Figure 1-2. Schematic illustration of PEMFC. PEMFC 商業(yè)化進程中，遇到了很多挑戰(zhàn)，特別是與陽極的 HOR 相慢速率的的 ORR 動力學，是提升 PEMFC 效率急需攻克的最大壁們對于氧氣的電化學催化的控制能力仍然受到限制。這種緩慢的 要由于在電極表面的對于 O2的吸附，O-O 鍵的活化、斷裂以及去氧化物[41]，而 O-O 的鍵能很大，計算結果表明 O2的解離所需的能為了提高 ORR 的動力學，一種方法是貴金屬的催化劑（例如 Pt）負增加了能量轉換裝置的成本。美國能源部（DOE）2007 年的研究基催化劑層占燃料電池堆成本的 56％。因此，必須改進催化劑的 弱對貴金屬的依賴性。另一方面，在腐蝕性環(huán)境下的長期穩(wěn)定性依，運行過程中鉑金屬顆粒團聚、碳基體的氧化、脫落引起的快速老題，仍然困擾著學者們。據(jù)美國能源部測試，燃料電池汽車陰極上為 0.4 mgPtcm2，甚至更多，令人失望的是，催化劑的穩(wěn)定性仍然

帶有親水、疏水兩性官能團的分子，以表面活性劑以及嵌段共聚物為代用于合成有序多孔碳納米結構有效的的軟模板。到目前為止，通過使用-嵌段-聚（環(huán)氧乙烷）（PS-b-PEO），聚異丁烯-嵌段-PEO（PIB-b-PEO-聚（4-乙烯基吡啶）（PS-b-P4VP）PEO-嵌段-聚（甲基丙烯酸甲酯）（MA）等高分子嵌段共聚物[50]作為軟模板，已經成功制備出孔徑為 10介孔材料。但是，這些模板主要用于制備微米級別的薄膜或不規(guī)則形狀由于制備過程都基于溶劑蒸發(fā)，并不適用于制備中孔碳球。Yamauchi[51]通過使用高分子量嵌段聚合物 PS-b-PEO 的膠束作為模板種用于制備具有大中孔尺寸（高達 16nm）的 N 摻雜中孔碳球（NMC方法。合成的關鍵是使用在反應溶液中穩(wěn)定的多巴胺/聚苯乙烯-嵌段-烷）（DA/PS-b-PEO）復合膠束。多巴胺分子的聚合并且進一步與 PS-的共組裝形成 PDA/PS-b-PEO 復合球體，隨后在碳化過程中除去模板兼 PS-b-PEO 膠束，使中孔留在碳球中。這種相互聯(lián)通的多孔網絡結構，分子在催化劑表面吸附，加快反應物的擴散、促進電解質離子的運輸MCs 表現(xiàn)出優(yōu)異的 ORR 活性和穩(wěn)定性。
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本文編號：2875120