發(fā)布時間：2020-08-14 23:12

【摘要】：燃料電池作為如今替代傳統(tǒng)化石能源的新能源,擁有能量轉(zhuǎn)化效率高,應用廣泛且環(huán)境友好的特點。電池電極發(fā)生的氧還原與氧析出反應是決定電池性能最為重要的兩個反應,但在實際應用中這兩個反應緩慢低效,阻礙了電池的實際應用。電催化劑是一類可以加速電極反應從而改善電池性能的一類材料,因此研究性能優(yōu)良的電催化劑具有重要的意義。尖晶石型氧化物AB2O4(A和B都是過渡金屬)是一類具有代表性可用作氧還原和氧析出電催化的材料,其催化活性和穩(wěn)定性表現(xiàn)都很優(yōu)秀,是電催化材料的熱門研究項目。但FeCo2O4由于其元素組成復雜因而關于其研究不如ZnCo2O4,NiCo2O4熱門。FeCo2O4的晶體結構中,Co2+位于四面體心,而Co3+和Fe3+位于八面體中心,B位的Fe3+和Co3+使得過渡金屬原子的的3d軌道和2p軌道具有更寬的重疊,這可以使電化學反應過程中決定反應速率的步驟的電子轉(zhuǎn)移更加有效,從而加強電催化活性。還原氧化石墨烯(rGO)具有的高電導率和高比表面積可以加速電荷傳輸和提供更多的活性位點從而加快電化學反應過程。同時,據(jù)研究表明,Mn作為一種具有多種價態(tài)的過渡金屬,在電催化領域一直表現(xiàn)突出。這些條件為優(yōu)化FeCo2O4尖晶石型材料的性能提供了可能。論文在研究過程中將應用電解池作為氧催化性能測試的實驗環(huán)境并嚴格控制實驗條件,確保獲得真實可靠的實驗結果。論文工作如下:(1)運用水熱法制備的CoFeCoO4,通過XRD測試得到樣品的晶體結構信息,運用SEM和N2吸附-解吸附方法分別測試出樣品的紡錘體形貌和多孔結構,再將CoFeCoO4與rGO組裝形成CoFeCoO4/rGO復合物,這種材料表現(xiàn)出比CoFeCoO4更強的氧還原性能。與代表性的Pt/C對比,CoFeCoO4/rGO穩(wěn)定性更好。同時還研究了樣品的氧析出性能,實驗結果表明CoFeCoO4/rGO可作為雙功能型催化劑。(2)將FeCo2O4中的部分Co元素用Mn摻雜制備了FeCo1.6Mn0.4O4微米球,并運用表征方法測試了樣品的晶體結構、形貌等信息,同時測試了樣品和Pt/C的氧還原電化學性能以及穩(wěn)定性,實驗結果對比表明樣品可作為氧還原電催化劑。本文分別制備了一種雙功能型催化劑CoFeCoO4/rGO和一種氧還原性能良好的電催化劑FeCo1 6Mn0 4O4。
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O643.36;TM911.4
【圖文】：

當Ｘ射線與衍射的射線疊加，根據(jù)波的疊加原理，波的強度會在不同的入射角逡逑度和方向上顯示出不同程度的疊加增強或?qū)W弱，由產(chǎn)生的圖譜即可以分析出材料逡逑的晶體結構。Ｘ射線衍射示意圖如圖２－１所示。Ｘ射線的波長為Ｘ，晶格間距為逡逑ｄ，入射角度為０，則可以知道，相隔晶面反射后的光程差為ＡＳ邋＝邋２ｄｓｉｎ０，根據(jù)逡逑光的干涉加強條件，可知應滿足：逡逑ＡＳ邋＝邋２ｄｓｉｎ０邋＝邋ｎＡ．邐（２－１）逡逑其中ｎ為正整數(shù)，樣品的晶型轉(zhuǎn)換、分析得到晶體結構及結晶度等信息可以逡逑通過測定衍射圖譜及相對衍射峰強度Ｏ／Ｉｏ）獲得。衍射圖像的峰的寬度隨著晶體逡逑顆粒的變大而減小。逡逑１１逡逑

圖邋３－１邐（ａ）邋ＣＦＣＯＳＭｓ，邋ＣＦＣＯＳＭｓ／ｒＧＯ，邋ＣＦＣ０－Ｒ邋及邋Ｃｏ３0４標準卡的邋ＸＲＤ邋圖像；逡逑（ｂ）邋ＣｏＦｅＣｏ0４的尖晶石結構示意圖逡逑圖３－２顯示的是樣品的ＳＥＭ圖像，由圖３－２邋（ａ）可以看出用溶膠－凝膠法制逡逑備的ＣＦＣ０－Ｒ是由大量尺寸為１邋ｕｍ大小的沒有特定形貌的微粒組成。圖３－２（ａ）逡逑顯示的是ＣＦＣＯＳＭｓ的形貌圖，可以看出ＣＦＣＯＳＭｓ是尺寸大小為２邋ｕｍ的紡錘逡逑體型顆粒，由圖３－２邋（ｃ）和３－２邋（ｅ）可以看出顆粒表面是粗糙多孔的結構，并且逡逑樣品顆粒是由許多納米量級的小微粒組成的，顆粒之間相互堆疊，具有空隙。這逡逑種表面粗糙多孔的紡錘體結構為電化學反應提供了足夠豐富的催化基團且可以逡逑與電解液的接觸面更大從而可以加速反應過程。圖３－２邋（ｄ）所示為ＣＦＣＯＳＭｓ的逡逑ＥＤＳ圖像，由能譜峰看出樣品中的Ｆｅ，邋Ｃｏ，邋０元素的存在；由插圖中的表格可逡逑以看出，檢測到的Ｆｅ，Ｃｏ，邋０的原子數(shù)量接近為１，２，邋４，這與ＣｏＦｅＣｏＣＵ的分逡逑子式一致，進一步了樣品的成功合成。圖３－２邋（ｆ）所示為ＣＦＣＯＳＭｓ／ｒＧＯ的形貌逡逑圖，可以看出其形貌與ＣＦＣＯＳＭｓ的圖像沒有顯著差別，顆粒的尺寸比較平均，逡逑但顆粒上有了一些網(wǎng)狀物

４（ａ）所示為總圖譜，由其中可以看出樣品中Ｃｏ，Ｆｅ，０元素的存在。ＣＦＣＯＳＭｓ／ｒＧＯ逡逑的Ｃ峰相比ＣＦＣＯＳＭｓ以及ＣＦＣＯ－Ｒ的Ｃ峰更明顯，這是由于ｒＧＯ存在的結逡逑果。圖３－４邋（ｂ）是Ｃｏ２ｐ的高分辨率峰圖，由圖中看出，ＣＦＣＯ－Ｒ，ＣＦＣＯＳＭｓ以逡逑及ＣＦＣＯＳＭｓ／ｒＧＯ的峰圖沒有明顯的差別，表明樣品中Ｃｏ元素的氧化組態(tài)是相逡逑似的。對于ＣＦＣＯＳＭｓ／ｒＧＯ的Ｃｏ元素圖譜，位于能量為７８０．２邋ｅＶ的峰描述為Ｃｏ逡逑２ｐｉ／２，位于能量為７９５．５ｅＶ的峰描述為Ｃｏ２ｐ３／２，位于７８７．５ｅＶ和８０５．１邋ｅＶ的峰逡逑描述為衛(wèi)星峰。主峰與衛(wèi)星峰之間的能量間隔為９．６邋ｅＶ，這與報道的如果能量間逡逑隔為９￣１０ｅＶ那么Ｃｏ存在３＋的價態(tài)這一結果一致。Ｃｏ２ｐ３／２和Ｃｏ２ｐｉ／２兩個主逡逑峰可以分別被擬合成為兩個分峰。分峰的結果如圖中所示，峰值位于７８０．７６邋ｅＶ逡逑和７９６．８６邋ｅＶ的兩個峰對應于Ｃｏ２＋，峰值位于７７９．８６邋ｅＶ和７９４．７１邋ｅＶ的兩個峰逡逑對應于Ｃｏ３＋，這與對圖３－１邋（ｂ）論述的結果是一致的。圖３－４邋（ｂ）中ＣＦＣＯＳＭｓ逡逑與ＣＦＣＯ－Ｒ的Ｃｏ元素圖譜具有同ＣＦＣＯＳＭｓ／ｒＧＯ相似的結果。圖３－４邋（ｃ）是Ｆｅ逡逑２ｐ的高分辨圖譜。對于ＣＦＣＯＳＭｓ／ｒＧＯ

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