本文關(guān)鍵詞：燃料電池用碳氮載體材料的制備及載鉑電催化性能的研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：直接甲醇燃料電池(DMFC)具有能量轉(zhuǎn)換效率高和環(huán)境友好等特性,被認為是最有前途用于便攜式電子設(shè)備和電動汽車的理想電源之一。就當前技術(shù)而言,碳載Pt催化劑仍然是最受歡迎的DMFC陽極催化劑。然而,Pt納米粒子的溶解和增長以及碳載體的易腐蝕嚴重阻礙了DMFC的商業(yè)化進程。從提高Pt基催化劑的活性和穩(wěn)定性出發(fā),合成一系列氮摻碳及復合材料載Pt催化劑,研究其作為DMFC陽極催化劑的電化學性能。以二氧化硅(Si O2)納米粒子為模板,聚苯胺為前驅(qū)體,合成類蜂窩狀的介孔氮摻碳(MNC)材料,并以其為載體制備Pt/MNC催化劑,詳細探討了熱解溫度、熱解時間以及不同硅溶膠的量對載體和相應(yīng)催化劑物理和電化學性能的影響。與商業(yè)Pt/C催化劑相比,Pt/MNC催化劑呈現(xiàn)更好的電催化活性和穩(wěn)定性,其質(zhì)量活性為0.64 A·mg-1Pt,是商業(yè)Pt/C催化劑(0.38 A·mg-1Pt)的1.7倍。經(jīng)過1000圈循環(huán)老化測試后,Pt/MNC催化劑的保留率為70.3%,優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑的59.2%。優(yōu)異的電化學性能主要歸因于介孔和氮物種的引入,介孔的引入能提供大的比表面積和孔容用于質(zhì)量傳輸和分散Pt納米粒子,同時使更多的氮物種得到暴露用于更好地分散和錨定Pt納米粒子。此外,MNC載體中的介孔限制Pt納米粒子的Ostwald熟化行為,使Pt納米粒子在電催化過程中不易溶解和團聚,進而提升催化劑的穩(wěn)定性。為克服硬模板法后續(xù)處理工序復雜的問題,采用簡單、有效的化學氧化法和高溫熱解法合成碳氮納米棒(CNx-NRs),并以其為載體制備Pt/CNx-NRs催化劑。與商業(yè)Pt/C催化劑相比,Pt/CNx-NRs催化劑具有優(yōu)異的電催化活性和穩(wěn)定性,這能被歸因于CNx-NRs載體具有高的氮含量和大的比表面積。在此基礎(chǔ)上,以石墨烯為基底,設(shè)計并制備了CNx-NRs陣列原位修飾的石墨烯(CNx-NRs@G)復合材料。CNx-NRs陣列的引入能有效防止石墨烯片層的堆疊,提供較大的比表面積用于質(zhì)量傳輸和分散Pt納米粒子。同時,CNx-NRs陣列的引入能夠起到良好的空間限域作用,在電催化過程中抑制Pt納米粒子的遷移、團聚,進而提高催化劑的電催化穩(wěn)定性。在保證高穩(wěn)定性的前提下,Pt/CNx-NRs@G催化劑對甲醇氧化反應(yīng)的電催化活性是Pt/G催化劑的2.5倍。為進一步改善Pt基催化劑的傳質(zhì)能力,以自溶模板法和高溫熱解法合成碳氮納米管(CNx-NTs),并以其為載體制備相應(yīng)的Pt基催化劑,Pt/CNx-NTs催化劑的電催化活性和穩(wěn)定性是明顯優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑的,這是由高的氮含量和納米管的形貌引起的。在此基礎(chǔ)上,以氧化石墨(GO)和聚吡咯納米管(PPy-NTs)為原料通過水熱自組裝和高溫熱解法合成具有獨特結(jié)構(gòu)的三維石墨烯和碳氮納米管(G-NCNTs)復合材料,均勻分散在石墨烯片層中的NCNTs用于更好地沉積Pt納米粒子。與Pt/三維石墨烯(Pt/GA)催化劑相比,Pt/G-NCNTs催化劑顯示優(yōu)異的電化學性能,這能被歸因于NCNTs的引入。NCNTs的引入能夠增加氮物種,用于更均勻地沉積和更強地錨定Pt納米粒子。同時NCNTs的引入可以有效防止石墨烯片層的堆疊,提供一個大的比表面積用于更好地分散Pt納米粒子和促進質(zhì)量傳輸,進而提高催化劑的電化學性能。除聚苯胺和聚吡咯外,沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)材料(ZIFs)被認為是一種非常有吸引力的碳前驅(qū)體用于制備多孔氮摻碳材料。采用快速攪拌法和高溫熱解法合成ZIF-8衍生的多孔氮摻碳納米球(CNx-ZIF-8),其擔載的Pt基催化劑具有優(yōu)異的電催化活性和穩(wěn)定性,這能被歸因于高的氮含量和大的比表面積。在此基礎(chǔ)上,以GO和ZIF-8為原料采用水熱自組裝和高溫熱解法合成多孔CNx-ZIF-8修飾的三維石墨烯(GA-CNx-ZIF-8)復合材料。與Pt/GA-900催化劑相比,Pt/GA-CNx-ZIF-8催化劑顯示優(yōu)異的電催化活性和穩(wěn)定性,這能被歸因于多孔CNx-ZIF-8的引入。多孔CNx-ZIF-8的引入能有效防止三維石墨烯的團聚,在活性催化劑周圍提供一個開放的空間用于原料和產(chǎn)物的傳輸。同時,多孔CNx-ZIF-8的引入能夠提供更多的氮物種用于更好地分散和錨定Pt納米粒子,進而提高催化劑的電化學性能。
[Abstract]:Compared with commercial Pt / C catalyst , Pt / MNC catalyst has better electrocatalysis activity and stability .

【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36;TM911.4

【參考文獻】

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本文編號：1425705