Au-Cu 2-x M/碳納米管（M=O,S）納米復(fù)合催化劑的可控構(gòu)筑及氧還原性能研究
發(fā)布時間：2020-12-23 23:21
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）中氧還原反應(yīng)（ORR）是O2在陰極催化劑表面直接得電子生成H2O的高效能量轉(zhuǎn)化過程。目前,ORR所用Pt催化劑因其價格昂貴、含量稀少等特點(diǎn),成為制約PEMFCs大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要因素。將過渡金屬氧化物與貴金屬Au、Pd等復(fù)合形成納米復(fù)合催化劑,在節(jié)約成本的同時可以有效提升電催化活性。其中Cu基材料由于價格低廉、含量豐富、容易向O2提供電子等優(yōu)點(diǎn),在電催化中的應(yīng)用越來越受到重視�；诖�,本論文可控構(gòu)筑微量Au修飾的Cu2-xM/CNTs（M=O,S）納米復(fù)合材料,重點(diǎn)考察Au引入量、Cu2O形貌、Cu空位缺陷對ORR催化性能的影響并揭示催化劑的構(gòu)效關(guān)系、協(xié)同作用和電催化性能。本論文具體研究內(nèi)容如下:1、制備Au含量不同的Au-Cu2O/CNTs納米復(fù)合催化劑。探索Au和Cu2O之間協(xié)同作用對催化性能的影響。研究表明,經(jīng)過微量Au修飾的Au-Cu2O/CNTs納米復(fù)合催化劑由于A...
【文章來源】：內(nèi)蒙古大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū) 211工程院校
【文章頁數(shù)】：86 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
質(zhì)子交換膜燃料電池的組成
內(nèi)蒙古大學(xué)碩士學(xué)位論文極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，氫燃料主要來源于氫氣或者凈化重整氣，因此對于陽極催化劑來說除了要求具有較高的活性和氧化性外，還應(yīng)具有抗 CO 中毒能力。陰極為氧還原的場所，氧化劑來源于空氣中的氧氣或者純氧[14]。PEMFCs 的具體工作過程如下：在陽極，H2經(jīng)過陽極集流板由陽極氣體擴(kuò)散層到達(dá)陽極催化劑層，在催化劑的作用下，H2分解為氫離子并釋放出帶負(fù)電的電子，完成陽極反應(yīng)。陽極反應(yīng)生成的氫離子透過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極催化劑層，電子通過外電路到達(dá)陰極，形成電流。在陰極，O2通過陰極集流板由陰極氣體擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化劑層，在催化劑作用下，O2分子與透過質(zhì)子交換膜的氫離子以及外電路的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，完成陰極反應(yīng)。由于質(zhì)子交換膜具有選擇透過性，只能允許質(zhì)子透過，而電子只能通過外電路從陽極移動到陰極，從而在陰極發(fā)生氧氣的還原反應(yīng)。電極的反應(yīng)為[15, 16]：陽極：H2→2H++2e-(1-1)陰極： O2+2H++2e-→H2O (1-2)總反應(yīng)式：H2+ O2→H2O (1-3)
內(nèi)蒙古大學(xué)碩士學(xué)位論文中間體，然后形成的 O*中間體再進(jìn)一步被還原為 OH*和 H2O。第二種途徑稱為締合途徑，在這一途徑中 O2*首先形成 OOH*，而后 O-O 鍵斷裂分別形成 O*和 OH*兩個中間體，最后形成 H2O。第三個途徑稱為過氧途徑(或者二次締合途徑)，在 O-O 鍵斷裂前，O2*依次被還原為 OOH*和 HOOH*活性中間體，再經(jīng)過斷鍵形成 OH*，最后形成 H2O。因此，金屬與中間物種的結(jié)合能(如 O*、OOH*、OH*)是研究 ORR 動力學(xué)的關(guān)鍵。氧物種與催化劑表面的結(jié)合能決定催化劑活性。催化劑應(yīng)與氧物種有適度的結(jié)合能，如果電極表面對氧物種的吸附太弱，則電子轉(zhuǎn)移到吸附氧表面就會受到限制。然而，對氧物種的吸附過強(qiáng)會導(dǎo)致生成的 H2O 解析困難，而阻礙活性位點(diǎn)進(jìn)一步吸附 O2。2004 年 N rskov等[16]研究了不同金屬催化劑的氧還原活性與 O*和 OH*結(jié)合能之間的關(guān)系，如圖 1.3 所示。由火山圖可以得出，Pt、Pd 對 ORR 的電催化活性比地球上含量豐富的非貴金屬(如 Fe、Co、Ni)性能更優(yōu)，它們?nèi)匀皇?ORR 最具潛力的催化劑。同時，構(gòu)筑復(fù)合材料可以提高 ORR 電催化活性，具有較大提升空間，這為設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)高效的 ORR 催化劑提供了依據(jù)。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]全Pd催化劑質(zhì)子交換膜燃料電池[J]. 胡清平,潘婧,莊林,陸君濤. 高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報. 2013(01)
[2]三元合金氧還原電催化劑(英文)[J]. 羅瑾,楊樂夫,陳秉輝,鐘傳建. 電化學(xué). 2012(06)
本文編號：2934522
【文章來源】：內(nèi)蒙古大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū) 211工程院校
【文章頁數(shù)】：86 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
質(zhì)子交換膜燃料電池的組成
內(nèi)蒙古大學(xué)碩士學(xué)位論文極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，氫燃料主要來源于氫氣或者凈化重整氣，因此對于陽極催化劑來說除了要求具有較高的活性和氧化性外，還應(yīng)具有抗 CO 中毒能力。陰極為氧還原的場所，氧化劑來源于空氣中的氧氣或者純氧[14]。PEMFCs 的具體工作過程如下：在陽極，H2經(jīng)過陽極集流板由陽極氣體擴(kuò)散層到達(dá)陽極催化劑層，在催化劑的作用下，H2分解為氫離子并釋放出帶負(fù)電的電子，完成陽極反應(yīng)。陽極反應(yīng)生成的氫離子透過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極催化劑層，電子通過外電路到達(dá)陰極，形成電流。在陰極，O2通過陰極集流板由陰極氣體擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化劑層，在催化劑作用下，O2分子與透過質(zhì)子交換膜的氫離子以及外電路的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，完成陰極反應(yīng)。由于質(zhì)子交換膜具有選擇透過性，只能允許質(zhì)子透過，而電子只能通過外電路從陽極移動到陰極，從而在陰極發(fā)生氧氣的還原反應(yīng)。電極的反應(yīng)為[15, 16]：陽極：H2→2H++2e-(1-1)陰極： O2+2H++2e-→H2O (1-2)總反應(yīng)式：H2+ O2→H2O (1-3)
內(nèi)蒙古大學(xué)碩士學(xué)位論文中間體，然后形成的 O*中間體再進(jìn)一步被還原為 OH*和 H2O。第二種途徑稱為締合途徑，在這一途徑中 O2*首先形成 OOH*，而后 O-O 鍵斷裂分別形成 O*和 OH*兩個中間體，最后形成 H2O。第三個途徑稱為過氧途徑(或者二次締合途徑)，在 O-O 鍵斷裂前，O2*依次被還原為 OOH*和 HOOH*活性中間體，再經(jīng)過斷鍵形成 OH*，最后形成 H2O。因此，金屬與中間物種的結(jié)合能(如 O*、OOH*、OH*)是研究 ORR 動力學(xué)的關(guān)鍵。氧物種與催化劑表面的結(jié)合能決定催化劑活性。催化劑應(yīng)與氧物種有適度的結(jié)合能，如果電極表面對氧物種的吸附太弱，則電子轉(zhuǎn)移到吸附氧表面就會受到限制。然而，對氧物種的吸附過強(qiáng)會導(dǎo)致生成的 H2O 解析困難，而阻礙活性位點(diǎn)進(jìn)一步吸附 O2。2004 年 N rskov等[16]研究了不同金屬催化劑的氧還原活性與 O*和 OH*結(jié)合能之間的關(guān)系，如圖 1.3 所示。由火山圖可以得出，Pt、Pd 對 ORR 的電催化活性比地球上含量豐富的非貴金屬(如 Fe、Co、Ni)性能更優(yōu)，它們?nèi)匀皇?ORR 最具潛力的催化劑。同時，構(gòu)筑復(fù)合材料可以提高 ORR 電催化活性，具有較大提升空間，這為設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)高效的 ORR 催化劑提供了依據(jù)。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]全Pd催化劑質(zhì)子交換膜燃料電池[J]. 胡清平,潘婧,莊林,陸君濤. 高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報. 2013(01)
[2]三元合金氧還原電催化劑(英文)[J]. 羅瑾,楊樂夫,陳秉輝,鐘傳建. 電化學(xué). 2012(06)
本文編號：2934522
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/dianlidianqilunwen/2934522.html
最近更新
教材專著
