碳基納米材料電催化氧還原反應(yīng)的理論與模擬研究
發(fā)布時間：2022-02-14 11:35
質(zhì)子交換膜燃料電池作為新能源技術(shù)之一,可以將氫氣、甲醇等燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,轉(zhuǎn)化過程簡便高效且對環(huán)境友好。但是目前這項技術(shù)僅在示范級的氫燃料電池汽車、實驗級的千瓦級發(fā)電裝置中得到應(yīng)用,尚未得到全球范圍內(nèi)多領(lǐng)域的大規(guī)模推廣,主要原因之一是在陰極氧還原反應(yīng)（ORR）中需要大量使用鉑系材料作為催化劑,而鉑的儲量有限、價格昂貴,且在高電流密度下的穩(wěn)定性較差。碳基納米材料作為非金屬催化劑,已有報道證明具有一定的ORR活性,但是ORR催化機(jī)理不明,且在酸性條件下的活性有待進(jìn)一步提高。除應(yīng)用之外,ORR也是基礎(chǔ)電化學(xué)研究中的重要反應(yīng)之一。本論文主要利用密度泛函理論（DFT）計算,輔以部分的分子動力學(xué)模擬與實驗,來綜合考察碳基納米材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與ORR催化活性的本質(zhì)來源,并試圖以此指導(dǎo)碳基ORR催化劑的研發(fā)方向。論文主要包括以下內(nèi)容:（1）摻氮碳納米管（NCNT）在堿性條件下具有和商業(yè)Pt/C催化劑媲美的活性,但是酸性條件下的活性較差。利用DFT計算研究了NCNT的電子結(jié)構(gòu)和表面溶劑勢場分布,發(fā)現(xiàn)水合氫離子H3O+在NCNT表面與溶劑靜電勢的綜合作用...
【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省211工程院校985工程院校教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：179 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
質(zhì)子交換膜燃料電池裝置示意圖及工作流程
圖 1-2 運輸業(yè)整合型燃料電池系統(tǒng)和氫能生產(chǎn)輸送儲存的成本現(xiàn)狀與預(yù)期計劃igure 1-2 Status and targets for the cost of integrated transportation fuel cell power systems and hydrogproducing, delivering and storing.（2）穩(wěn)定性問題。燃料電池系統(tǒng)在實際運行時要受到多方面的影響，例如燃料氣中的雜質(zhì)、電池的啟停、環(huán)境溫度的過冷或過熱、空氣濕度、撞擊、持續(xù)運轉(zhuǎn)等，這些影響對燃料電池各部件的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都是極大的考驗。用通業(yè)的燃料電池，通常要求循環(huán)穩(wěn)定性至少達(dá)到 5000 小時，而對于固定設(shè)備則要高，需至少達(dá)到 60000小時。參考 FCT辦公室《MYRD&D》計劃書，2015年統(tǒng)計表明，用于運輸業(yè)的 80 kW 級整合型燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性表現(xiàn)較差，以輸出電減 10%為依據(jù)，電池平均壽命僅為 3900 小時。2020 年預(yù)期目標(biāo)為 5000 小時，而目標(biāo)是 8000 小時。此外，上述結(jié)果是相對較為樂觀的統(tǒng)計和預(yù)測，因為在滿足穩(wěn)優(yōu)良的同時，必須也要符合成本的預(yù)期目標(biāo)，而穩(wěn)定性問題根本上也是成本問題劃書亦指出，在穩(wěn)定性問題上最難攻克的是需要正確理解催化劑和交換膜的失活
圖 1-3 氧還原反應(yīng)的表觀二電子和四電子路徑Schematic of the two-electron and the four-electron pathways for oxygen reduc的 pH 值會影響 ORR 中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物的存在形式，對應(yīng)的-2所示。表 1-2 ORR的電極反應(yīng)方程式及標(biāo)準(zhǔn)電極電勢 Electrode reaction equations for ORR and the corresponding standard electrod 轉(zhuǎn)移電子數(shù) 反應(yīng)方程式 標(biāo)準(zhǔn)電極4 O2+ 4H++ 4e 2H2O 1.2 O2+ 2H++ 2e H2O20.4 O2+ 2H2O + 4e 4OH 0.2 O2+ H2O + 2e HO2 + OH -0反應(yīng)過程中，氧氣可能以 2e 途徑生成過氧化物，酸性條件下是
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]氧還原碳基非貴金屬電催化劑研究進(jìn)展[J]. 鐘國玉,王紅娟,余皓,彭峰. 化學(xué)學(xué)報. 2017(10)
[2]New design paradigm for heterogeneous catalysts[J]. Aleksandra Vojvodic,Jens K.N?rskov. National Science Review. 2015(02)
本文編號：3624474
【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省211工程院校985工程院校教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：179 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
質(zhì)子交換膜燃料電池裝置示意圖及工作流程
圖 1-2 運輸業(yè)整合型燃料電池系統(tǒng)和氫能生產(chǎn)輸送儲存的成本現(xiàn)狀與預(yù)期計劃igure 1-2 Status and targets for the cost of integrated transportation fuel cell power systems and hydrogproducing, delivering and storing.（2）穩(wěn)定性問題。燃料電池系統(tǒng)在實際運行時要受到多方面的影響，例如燃料氣中的雜質(zhì)、電池的啟停、環(huán)境溫度的過冷或過熱、空氣濕度、撞擊、持續(xù)運轉(zhuǎn)等，這些影響對燃料電池各部件的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都是極大的考驗。用通業(yè)的燃料電池，通常要求循環(huán)穩(wěn)定性至少達(dá)到 5000 小時，而對于固定設(shè)備則要高，需至少達(dá)到 60000小時。參考 FCT辦公室《MYRD&D》計劃書，2015年統(tǒng)計表明，用于運輸業(yè)的 80 kW 級整合型燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性表現(xiàn)較差，以輸出電減 10%為依據(jù)，電池平均壽命僅為 3900 小時。2020 年預(yù)期目標(biāo)為 5000 小時，而目標(biāo)是 8000 小時。此外，上述結(jié)果是相對較為樂觀的統(tǒng)計和預(yù)測，因為在滿足穩(wěn)優(yōu)良的同時，必須也要符合成本的預(yù)期目標(biāo)，而穩(wěn)定性問題根本上也是成本問題劃書亦指出，在穩(wěn)定性問題上最難攻克的是需要正確理解催化劑和交換膜的失活
圖 1-3 氧還原反應(yīng)的表觀二電子和四電子路徑Schematic of the two-electron and the four-electron pathways for oxygen reduc的 pH 值會影響 ORR 中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物的存在形式，對應(yīng)的-2所示。表 1-2 ORR的電極反應(yīng)方程式及標(biāo)準(zhǔn)電極電勢 Electrode reaction equations for ORR and the corresponding standard electrod 轉(zhuǎn)移電子數(shù) 反應(yīng)方程式 標(biāo)準(zhǔn)電極4 O2+ 4H++ 4e 2H2O 1.2 O2+ 2H++ 2e H2O20.4 O2+ 2H2O + 4e 4OH 0.2 O2+ H2O + 2e HO2 + OH -0反應(yīng)過程中，氧氣可能以 2e 途徑生成過氧化物，酸性條件下是
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]氧還原碳基非貴金屬電催化劑研究進(jìn)展[J]. 鐘國玉,王紅娟,余皓,彭峰. 化學(xué)學(xué)報. 2017(10)
[2]New design paradigm for heterogeneous catalysts[J]. Aleksandra Vojvodic,Jens K.N?rskov. National Science Review. 2015(02)
本文編號：3624474
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