【摘要】：貴金屬基氧催化劑高昂的價(jià)格和較低的穩(wěn)定性,是制約燃料電池和金屬空氣電池等新能源設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。尤其是對(duì)于一體式可再生燃料電池和二次金屬空氣電池,尋找高效且低廉的新型雙功能氧催化劑對(duì)這二者的發(fā)展有著重要意義。在諸多選項(xiàng)中,非貴過渡金屬基催化劑以其豐富的儲(chǔ)量和較高的催化活性受到了研究者的廣泛關(guān)注,其中錳基氧催化劑更是以低廉、低毒和較好的析氧反應(yīng)(OER)催化活性著稱。可是錳基催化劑的氧還原(ORR)活性欠佳,也因此限制了其在雙功能氧催化劑上的進(jìn)一步使用。本論文以錳基催化劑為研究對(duì)象,通過構(gòu)筑不同的復(fù)合形式來提升其氧還原催化活性,同時(shí)還對(duì)復(fù)合體氧還原性能提升的原理進(jìn)行了初步研究,也將制備的催化劑進(jìn)行氧還原和析氧反應(yīng)雙功能催化的測(cè)試,為其他非貴過渡金屬基雙功能氧催化劑的設(shè)計(jì)和開發(fā)展示了新的道路。本論文的主要研究?jī)?nèi)容在于以下幾個(gè)方面:(1)以檸檬酸為配體和碳源,通過濕法球磨制備錳基催化劑前驅(qū)體,經(jīng)過高溫處理后得到M/MnO/C(M=Co、Ni、Cu)的復(fù)合體材料。測(cè)試不同鈷錳復(fù)合比例以及將鈷替換為鎳、銅后所得催化劑的氧還原催化活性,并基于最佳條件對(duì)催化劑材料進(jìn)行雙功能氧催化的測(cè)試。最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)Co/Mn比例為1:8時(shí)材料具有最佳氧還原活性,其半波電位為0.819 V。并對(duì)性能提升的原理進(jìn)行初步探討,所得結(jié)果可以為其他復(fù)合催化劑的設(shè)計(jì)提供思路。(2)由于在前一章中所得的材料性能相對(duì)鉑碳催化劑尚有較明顯的差距,并且其穩(wěn)定性也不是十分理想。為了進(jìn)一步提升催化性能,以N-甲基-D-葡糖胺為氮源和碳源,通過溶劑熱的合成手段制備錳基催化劑前驅(qū)體,經(jīng)過高溫處理后得到Co/MnO/N-C復(fù)合體,其氧還原活性和穩(wěn)定性由于氮摻雜碳的存在而得到了進(jìn)一步的提升。對(duì)催化劑材料進(jìn)行雙功能氧催化的測(cè)試,結(jié)果表明Co/MnO/N-C可以作為一種雙功能氧催化劑,氧還原半波電位為0.822 V,析氧過電位為379 mV。并且這種合成方法也可以拓展到其他非貴過渡金屬基催化劑的合成,因而具有一定的意義。(3)前一章通過構(gòu)筑氮摻雜碳的復(fù)合,縮小了所得材料與鉑碳催化劑之間的活性差距,然而錳氧化物始終不是最為理想的錳基材料,并且上一章使用的溶劑熱也是一種較為極端合成手段�；谝陨蠋c(diǎn),以二氰二胺為氮源和碳源,通過濕法球磨制備錳基催化劑前驅(qū)體,經(jīng)過高溫處理后得到Co/Mn_4N/N-CNTs復(fù)合體。利用鈷催化產(chǎn)生的氮摻雜碳納米管纏縛住Mn_4N,形成特殊構(gòu)造的復(fù)合體,相比起錳氧化物進(jìn)一步提升了其氧還原催化活性,半波電位為0.825V。同時(shí)探究了煅燒溫度和所加入金屬物質(zhì)對(duì)最終形成材料的物相和形貌的影響,確定了形成復(fù)合體所需要的條件。對(duì)催化劑材料進(jìn)行雙功能氧催化的測(cè)試,結(jié)果表明Co/Mn_4N/N-CNTs復(fù)合體是一種較好的雙功能氧催化劑。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O643.36;TM911
【圖文】：

ematic illustrations of a typical regenerative fuel cell (aregenerative Li-air battery (b)[13].（a）可再生燃料電池和（b）鋰-空氣電池工作的示化劑完成的。這就對(duì)催化劑性能提出了較高要求。池是一種類似燃料電池的電化學(xué)設(shè)備，其本質(zhì)也是池，它是將金屬作為燃料，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)換成空氣電池往往還能實(shí)現(xiàn)可充電的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量的氣電池，也是一種二次電化學(xué)設(shè)備。目前常見的二電池等[14-16]。同樣對(duì)于二次金屬空氣電池而言，由循環(huán)轉(zhuǎn)換，因此其氧電極在工作的時(shí)候也需要完成化過程。陰極氧還原反應(yīng)

Fig. 1-2 Working principle of an alkaline fuel cell using an anion exchange membrane[18].圖 1-2 堿性聚合物燃料電池的工作示意圖。圖 1-2 是堿性聚合物燃料電池在工作時(shí)的示意圖，以此來說明在堿性介質(zhì)下發(fā)生氧還原反應(yīng)的機(jī)理�？梢钥闯鲫帢O上發(fā)生了氧氣的還原反應(yīng)并產(chǎn)生 OH-（方程式 1-1），

氧氣還原反應(yīng)的過程機(jī)理[20]

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 宋世棟;張華民;馬霄平;張益寧;衣寶廉;;一體式可再生燃料電池[J];化學(xué)進(jìn)展;2006年10期

2 張勝濤,溫彥;燃料電池發(fā)展及其應(yīng)用[J];世界科技研究與發(fā)展;2003年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張海龍;中國(guó)新能源發(fā)展研究[D];吉林大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2776329