本文采用靜電紡絲與硬模板法相結(jié)合成功合成了一種氮摻雜介孔碳球(NMCS)氧還原催化劑。通過電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)催化劑在堿性條件下具有卓越的氧還原性能。隨后將鐵元素引入氮摻雜介孔碳球中,制備了一系列鐵氮共摻雜的碳球(Fe-N/MCS)催化劑,并優(yōu)化了鐵氮共摻雜介孔碳球催化劑的制備條件。論文主要包括以下內(nèi)容:1)通過靜電紡絲與硬模板法相結(jié)合成功合成了一種氮摻雜介孔碳球氧還原催化劑。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)煅燒溫度為800?C,模板劑所占溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)所制備的催化劑(NMCS-800)形貌最佳,堿性條件下測試其ORR性能時(shí)發(fā)現(xiàn),雖然其起始電位比商業(yè)鉑碳相差51 mV,但是其極限電流密度為6.19 mA cm~(-2)較商業(yè)Pt/C(6 mA cm~(-2))高。2)以九水合硝酸鐵、六水合氯化鐵、二茂鐵,三乙酰丙酮鐵分別為鐵源制備了鐵氮共摻雜介孔碳球催化劑,并且研究了系列催化劑的形貌、結(jié)構(gòu)及氧還原活性,其中鐵源為九水合硝酸鐵(Fe-N/MCS-181)時(shí)所摻雜的鐵含量最高為0.13%。除了與商業(yè)Pt/C相差無幾的氧還原活性外,該催化劑亦表現(xiàn)出了較好的耐久性,在10000 s測試內(nèi)其電流保留比為86.4%,要高于商業(yè)鉑碳催化劑(84.2%)。3)通過改變鐵前驅(qū)體的量,探索了不同鐵元素含量對催化劑形貌性能的影響,通過測試其電化學(xué)性能,探索其結(jié)構(gòu)與氧還原活性之間的構(gòu)效關(guān)系。表征和測試結(jié)果表明,催化劑樣品中鐵含量相對較少時(shí),隨著鐵元素含量的增加,對氧還原反應(yīng)有促進(jìn)作用,而當(dāng)鐵元素的含量超過一定范圍時(shí),鐵元素?fù)诫s則會(huì)不利于氧還原的進(jìn)行。當(dāng)鐵元素含量為0.18%時(shí),催化劑的起始電位半波電位分別為-0.008 V與-0.136 V,具有比商業(yè)Pt/C更優(yōu)異的氧還原活性。并且10000 s測試內(nèi)其電流保留比為90.6%,比商業(yè)Pt/C更加穩(wěn)定。這可能歸因于Fe-N/MCS-1.5豐富的活性氮(吡啶氮和吡咯氮),易于與Fe~(2+)形成穩(wěn)定的Fe~(2+)-N_4的活性結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位單位】：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM911.4;O643.36
【部分圖文】：

理本是一種電化學(xué)裝置，基本原理與傳統(tǒng)電源一致陽極板通道輸送到陽極。在電池的另一側(cè)，空氣極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣則在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，傳導(dǎo)質(zhì)子以及分隔燃料與氧化劑的作用。而普通電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，其電池容量是由電源內(nèi)部有限。而燃料電池的正、負(fù)極本身不儲(chǔ)存活性物，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)[13-15]。原斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。在陽極，氫電子。帶正電的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜（PEM）到路到達(dá)陰極，因此產(chǎn)生電流，燃料電池釋放電能量和充電方式的優(yōu)勢，讓燃料電池相比于傳統(tǒng)化應(yīng)用價(jià)值。如圖 1.1 所示為質(zhì)子膜燃料電池單個(gè)

圖 1.2 不同種類的燃料電池特征圖Fig. 1.2 Different types of fuel cells and their characteristics1.2 氧還原反應(yīng)（ORR）1.2.1 氧還原簡介氧還原相對來說還是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，催化劑要發(fā)生氧還原反應(yīng)要經(jīng)歷擴(kuò)散、吸附以及表面反應(yīng)這三個(gè)步驟[50]。其中 O2在催化劑表面的吸附步驟極為重要，通常能夠決定氧還原的反應(yīng)歷程。而氧的吸附方式通常包括直接解離式吸附，橋式吸附以及立式吸附。直接解離式吸附與橋式吸附都有利于氧分子行成吸附類氧原子，有利于促進(jìn)四電子反應(yīng)途徑的進(jìn)程[51-53]。但是由于氧分子中 O-O 鍵的解離能高于其質(zhì)子化后生成的過氧化氫的解離能，所以優(yōu)先生成過氧化氫的方式更容易發(fā)生。也就是說，大部分的氧還原反應(yīng)都是按照二電子過程或者兩者共存的反應(yīng)路徑進(jìn)行，這在很大程度上會(huì)降低燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率以及功率。為此，研發(fā)高活性的燃料電池用陰極 ORR 催化劑來避免其氧還原過程以二電子進(jìn)行，無論是對于其機(jī)理研究或是商業(yè)運(yùn)用都有很大的意義。

6頁 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 碩士學(xué)位論文。不僅如此，ORR 的反應(yīng)路徑還會(huì)受到一些反應(yīng)體系的影響，包括電極材料的形態(tài)、化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)，以及電解液的溫度、濃度、成分，這些因素的微妙變化，都導(dǎo) ORR 反應(yīng)向著同預(yù)期完全不同的方向、方式進(jìn)行。具體的反應(yīng)方程式如圖 1.3

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本文編號(hào)：2813774