近年來,大量使用化石燃料導(dǎo)致大量溫室氣體排放,空氣污染日趨嚴(yán)重。因此,科學(xué)研究者極力尋求可替代化石燃料的可持續(xù)能源設(shè)備。直接甲醇燃料電池（DMFCs）和金屬-空氣電池（例如Zn-空氣電池、Al-空氣電池等）由于具備能量密度高、方便攜帶、資源豐富、工作時操作簡便、安全性高的優(yōu)點受到越來越多的關(guān)注。盡管上述能量轉(zhuǎn)換設(shè)備具備很多優(yōu)點,但是將其在商業(yè)化實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用仍然面臨很多問題,包括陽極燃料向陰極擴(kuò)散,陰極催化劑中毒和陰極反應(yīng)速率緩慢。其中,陰極氧還原反應(yīng)（ORR）是電池能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵步驟,動力學(xué)緩慢的ORR反應(yīng)將會抑制電池的整體效率。提高電池陰極ORR反應(yīng)的關(guān)鍵是電催化劑。目前,ORR催化劑研究分為三類:“貴金屬Pt基電催化劑”、“非貴金屬碳基電催化劑”以及“無金屬電催化劑”。盡管貴金屬鉑基電催化劑是目前最優(yōu)異的ORR電催化劑,但是成本高、地殼儲量稀缺、穩(wěn)定性差、甲醇耐受性差。因此,從電池成本及原料來源方面來說,“非貴金屬碳基電催化劑”以及“無金屬電催化劑”具有更廣闊的應(yīng)用潛能。本文主要針對燃料電池和鋅-空氣電池陰極ORR催化劑進(jìn)行研究,探索了含F(xiàn)e、Co、Ni、Zn非鉑基金屬氮摻雜碳復(fù)... 

【文章來源】：廣西師范大學(xué)廣西壯族自治區(qū)

【文章頁數(shù)】：118 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

直接甲醇燃料電池正常放電過程示意圖

廣西師范大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文8圖1.6制備各種具有增強(qiáng)比活度、電化學(xué)活性比表面積和質(zhì)量活性的Pt基納米結(jié)構(gòu)ORR催化劑的設(shè)計策略。Figure1.6ThedesignstrategiesforcreatingvariousPt-basednanostructuredORRcatalystswithenhancedspecifcactivity,electrochemicalactivesurfacearea,andmassactivity.1.4.2.1尺寸和成分調(diào)控顆粒大小和化學(xué)成分是電催化活性的關(guān)鍵決定因素。納米粒子具有較高的電化學(xué)活性表面積（ECSA），因而具有較高的質(zhì)量活性（MA）。給定納米結(jié)構(gòu)的尺寸高度依賴于成核和生長速率，這可能很容易被前驅(qū)體濃度、溫度、表面調(diào)節(jié)劑等參數(shù)調(diào)制。組分調(diào)整是降低催化劑中Pt用量的又一直接途徑。與其他非貴金屬相結(jié)合，合成具有合金、核殼或異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)的雙金屬/多金屬納米晶被認(rèn)為是調(diào)整成分的最簡單的方法。該策略具有吸引力和實用性，因為多金屬系統(tǒng)將與每個金屬相關(guān)聯(lián)的屬性組合以通過可能的協(xié)同效果來保證前所未有的特性。此外，對合金金屬的合理選擇以及基于Pt的納米結(jié)構(gòu)的尺寸、組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確控制可以同時提高最終催化劑的ORR活性和耐久性并減少Pt的使用。迄今為止，各種PtM(M＝Fe、Co、Ni、Cu)的納米結(jié)構(gòu)顯示了催化緩慢ORR的巨大潛力[38,48,49]。例如，Pt3Sc合金納米粒子(NPs)分散在部分剝落的碳納米管(PECNTs)上，作為陰極催化劑對PEMFC進(jìn)行單電池測量，Pt3Sc合金對氧的結(jié)合能較低，并使ORR具有更快的動力學(xué)特性[50]。在單電池測試中，Pt3Sc/PECNTs陰極催化劑顯示了在60oC下功率密度760mWcm2。此外，具有可控組分合成的Pt基多金屬催化劑也引起了人們的廣泛關(guān)注。可以使用包括濕法化學(xué)合成[51,52]、固態(tài)化學(xué)反應(yīng)[53]和磁控濺射[54]等物理路線制備Pt基合金納米結(jié)構(gòu)。在Pt基納米材料中，Pt-Ni合金?

廣西師范大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文10圖1.7Pt3NiBANWa的形貌和成分表征。Figure1.7MorphologicalandcompositionalcharacterizationofPt3NiBANWs.1.4.2.3合金和摻雜表面給定催化劑的ORR活性對表面原子排列/配位環(huán)境和表面電子結(jié)構(gòu)高度敏感。表面工程，如摻雜和合金，是提高Pt基催化劑活性/穩(wěn)定性的重要而有效的策略[67,68]。調(diào)整過渡金屬合金的組成可以改變表面催化中心的周圍原子，從而改變電催化劑的電子（d帶）結(jié)構(gòu)，這就是所謂的配體效應(yīng)。在Pt過渡金屬合金體系中，氧結(jié)合能取決于過渡金屬合金的吸附物（Oad）與d帶之間的耦合。Markovicetal.詳細(xì)研究了Pt與第四周期過渡元素形成的合金并繪制了Pt3M（M=Ni，Co，F(xiàn)e，Ti，V）類型的Pt-外表面和Pt骨架表面的ORR活性與d帶中心之間的“火山狀”關(guān)系（圖1.8a和b）[69]。在Pt3V和Pt3Ti的情況下，當(dāng)d帶中心離費(fèi)米能級太遠(yuǎn)時，表面對OHad和陰離子的覆蓋較低，但O2和中間體的結(jié)合能太弱，無法保證ORR的高轉(zhuǎn)換速率。相反，當(dāng)d帶中心接近費(fèi)米能級時，如Pt的情況下，金屬表面與氧/氧化物/陰離子強(qiáng)烈結(jié)合，但ORR的速率受到不吸附物的有效Pt位點的限制。Pt3Co在吸附氧與反應(yīng)中間體和低覆蓋氧物種以及特定吸附陰離子之間保持適當(dāng)?shù)钠胶猓@示出優(yōu)異的ORR活性。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]In-situ growth of ZnS/FeS heterojunctions on biomass-derived porous carbon for efficient oxygen reduction reaction[J]. Rong Jiang,Xin Chen,Jinxia Deng,Tianyu Wang,Kang Wang,Yanli Chen,Jianzhuang Jiang.  Journal of Energy Chemistry. 2020(08)
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本文編號：3131028