本文關(guān)鍵詞：氮、硫摻雜Fe@C基氧還原催化劑的制備及電催化性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：燃料電池是一種利用燃料或者氧化劑發(fā)電的裝置,它能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。但是,這種良好的發(fā)電裝置的大規(guī)模推廣應(yīng)用卻受到諸多方面因素的影響,通常情況下為了加快反應(yīng)速率,需要大量使用鉑基催化劑,這種催化劑本身昂貴、成本過高的問題成為阻礙其發(fā)展的重要影響因素之一。此外,鉑基催化劑易毒化、耐久性差。當(dāng)前,氮摻雜過渡金屬(Fe,Co,Ni,etc.)碳基(TM/N/C)氧還原催化劑材料由于具有較好的綜合性能,被認(rèn)為是最有希望代替貴金屬催化劑特別是鉑基催化劑的材料之一。本論文以廉價、易得的化合物為原料,通過軟模板高溫分解法、炭黑表面化學(xué)修飾法、雜原子摻雜等途徑制備了具有較好氧還原催化活性、穩(wěn)定性和甲醇抗性的碳載非貴金屬陰極催化劑。結(jié)合電化學(xué)研究方法和EDS、XRD、IR、TG、XPS、BET、TEM等材料表征手段探究催化劑的結(jié)構(gòu)和組成與電催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系、催化劑材料可能存在的活性中心組分。主要內(nèi)容包括以下幾方面:首先,以1-丁基-3-甲基咪唑離子液體為軟模板劑,鐵鹽為前驅(qū)體,經(jīng)過二氰二胺包覆、混合旋蒸、高溫?zé)峤獾瘸绦?制備了比表面積高達(dá)813 m2 g-1的過渡金屬鐵氮摻雜碳材料。其在氧氣飽和的0.1 mol L-1的H2SO4電解液中的E1/2達(dá)到0.75 V,穩(wěn)定性測試顯示,在經(jīng)過8000次的循環(huán)伏安加速衰減掃描(ADT)后,前后對比發(fā)現(xiàn),其電化學(xué)活性面積基本無明顯變化。旋轉(zhuǎn)玻碳盤鉑環(huán)電極(RRDE)測試說明,750℃合成的Fe-N/IL-C催化劑發(fā)生的ORR反應(yīng)主要通過更高效的4電子路徑被還原為H2O。其次,對炭黑表面進(jìn)行了表面化學(xué)修飾,通過在其表面引入親水性很強(qiáng)的苯磺酸根(-Ph-SO3H)改善炭黑石墨層的惰性,增強(qiáng)其親水性,實(shí)現(xiàn)炭黑的高分散和聚合物前驅(qū)體大量負(fù)載以及均勻包裹的目的。靜置實(shí)驗說明經(jīng)過表面化學(xué)修飾后的炭黑的親水性的確大大增強(qiáng)。TEM結(jié)果顯示,大量竹節(jié)狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn),并將金屬顆粒包裹在其管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部,有利于防止金屬顆粒的團(tuán)聚。EDS能譜表征發(fā)現(xiàn)體系中存在少量的S元素。雖然其比表面積由813.10 m2 g-1降至567.75 m2g-1,但氧還原測試發(fā)現(xiàn)催化劑在氧氣飽和的0.1 mol L-1 H2SO4溶液中的ORR極化曲線半波電位達(dá)到0.78 V(vs.RHE),比之前提高了30 mV,而且其在0.7 V處的動力電流密度增加了2.87倍。說明炭黑載體的表面化學(xué)修飾明顯提高了催化劑的氧還原性能。第三,以硫脲為硫源,制備了硫摻雜過渡金屬氮碳材料(Fe-N/TH-C)。XRD和XPS表征說明硫脲中的S成功地?fù)诫s到體系中。通過氧還原測試表明:制得的催化劑在酸性介質(zhì)中具有很好的氧還原活性,氧還原的起始電位達(dá)到0.89 V,半波電位達(dá)到0.78 V(vs.RHE),與20%的商業(yè)鉑碳催化劑相比,其半波電位與鉑碳催化劑的差距縮小到51 mV,此外還顯示出與鉑碳催化劑幾乎相等的極限電流密度。耐甲醇實(shí)驗和計時電流測試表明催化劑具有非常好的抗甲醇滲透能力和穩(wěn)定性。最后,選擇不含氮的二苯二硫醚與硫脲做對比實(shí)驗,結(jié)合電化學(xué)研究方法和XRD、XPS等表征手段探究催化劑中N的存在形式和S的摻雜產(chǎn)生的影響與電催化性能之間的關(guān)系,并進(jìn)一步探尋所制備的催化劑材料可能存在的活性中心組分。最終發(fā)現(xiàn)硫是以噻吩型硫和氧化型硫存在,而氮則存在三種形式:吡啶型氮、吡咯型氮和類石墨型碳氮結(jié)構(gòu)。S摻雜使得催化劑的ORR活性有了明顯提升,這種提升與含S前驅(qū)體種類、結(jié)構(gòu)無關(guān),并且催化劑氧還原催化性能的提升是由于S和N的協(xié)同效應(yīng),S和N的協(xié)同作用導(dǎo)致氮的存在形式中吡啶型氮含量減少而吡咯型氮增加。
【關(guān)鍵詞】：燃料電池 氧還原 摻雜 穩(wěn)定性
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36;TM911.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 研究背景10
• 1.2 燃料電池概述10-14
• 1.2.1 燃料電池應(yīng)用11-12
• 1.2.2 燃料電池結(jié)構(gòu)12
• 1.2.3 燃料電池原理12-13
• 1.2.4 陰極ORR過程13-14
• 1.3 ORR催化劑14-18
• 1.3.1 貴金屬氧還原催化劑14-15
• 1.3.2 非金屬氧還原催化劑15-16
• 1.3.3 非貴金屬氧還原催化劑16-18
• 1.4 課題的提出及思路意義18
• 1.5 研究內(nèi)容18-20
• 第二章 實(shí)驗內(nèi)容與研究方法20-27
• 2.1 主要化學(xué)試劑和測試儀器20-21
• 2.2 主要物理表征儀器21-23
• 2.2.1 熱重-差熱分析（TGA）21
• 2.2.2 傅立葉變換紅外光譜（FTIR）21
• 2.2.3 N_2等溫吸脫附測試（BET）21-22
• 2.2.4 X射線衍射分析（XRD）22
• 2.2.5 掃描電子顯微鏡（SEM）及X-射線能量散射分析（EDS）22
• 2.2.6 透射電子顯微鏡（TEM）22
• 2.2.7 X射線光電子能譜（XPS）22-23
• 2.3 電催化活性測試儀器及方法23-24
• 2.3.1 循環(huán)伏安測試（CV）23-24
• 2.3.2 工作電極制備24
• 2.3.3 加速衰減測試（ADT）24
• 2.4 催化劑的制備24-27
• 2.4.1 載體炭黑（CB）的純化/表面化學(xué)修飾24-25
• 2.4.2 前驅(qū)體合成25
• 2.4.3 熱處理流程25-27
• 第三章 含氮碳載鐵氧還原催化劑的制備與性能研究27-39
• 3.1 Fe-N/IL-C催化劑的制備27-28
• 3.2 Fe-N/IL-C 催化劑的物化結(jié)構(gòu)表征28-33
• 3.2.1 催化劑熱解過程的 TG/IR/XRD 表征28-31
• 3.2.2 熱解溫度對催化劑結(jié)構(gòu)的影響31-32
• 3.2.3 Fe含量對催化劑結(jié)構(gòu)的影響32-33
• 3.3 Fe-N/IL-C催化劑的ORR性能測試33-37
• 3.3.1 離子液體對催化劑ORR活性的影響33-34
• 3.3.2 鐵摻雜量對催化劑ORR活性的影響34-35
• 3.3.3 溫度對催化劑ORR活性和選擇性的影響35-36
• 3.3.4 催化劑的穩(wěn)定性測試36-37
• 3.4 本章小結(jié)37-39
• 第四章 不同表面處理的炭黑作為載體對催化劑結(jié)構(gòu)和酸性介質(zhì)中ORR性能的影響39-45
• 4.1 載體炭黑表面處理39-40
• 4.2 不同表面處理炭黑比表面積分析40-41
• 4.3 不同炭黑表面處理結(jié)構(gòu)組成分析41-43
• 4.4 炭黑不同表面處理對催化劑活性的影響43-44
• 4.5 本章小結(jié)44-45
• 第五章 硫、氮共摻雜碳載鐵氧還原催化劑的制備及其在酸性介質(zhì)中ORR性能的研究45-63
• 5.1 Fe-N/TH-C催化劑的制備45-46
• 5.2 Fe-N/TH-C催化劑的物理表征46-48
• 5.2.1 前驅(qū)體氮源對催化劑組成和結(jié)構(gòu)的影響46
• 5.2.2 熱解溫度以及硫脲含量對催化劑結(jié)構(gòu)的影響46-47
• 5.2.3 硫摻雜對催化劑結(jié)構(gòu)組成的影響47-48
• 5.3 Fe-N/TH-C催化劑的ORR性能測試48-53
• 5.3.1 不同轉(zhuǎn)速下催化劑的ORR極化曲線50-51
• 5.3.2 二氰二胺/硫脲質(zhì)量比對催化劑ORR性能的影響51-52
• 5.3.3 不同熱處理溫度對催化劑ORR活性的影響52-53
• 5.4 Fe-N/TH-C催化劑的抗甲醇滲透測試53-56
• 5.5 催化劑活性組分的探索56-62
• 5.5.1 Fe-N/S-C催化劑的制備56-57
• 5.5.2 不同前驅(qū)體對催化劑活性的影響57-58
• 5.5.3 不同轉(zhuǎn)速下催化劑的極化曲線圖58-59
• 5.5.4 不同前驅(qū)體對催化劑穩(wěn)定性的影響59
• 5.5.5 不同前驅(qū)體對催化劑結(jié)構(gòu)的影響59-60
• 5.5.6 硫、氮對催化劑結(jié)構(gòu)和組成的影響60-62
• 5.6 本章小結(jié)62-63
• 第六章 總結(jié)與展望63-65
• 6.1 總結(jié)63-64
• 6.2 展望64-65
• 參考文獻(xiàn)65-73
• 致謝73-75
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和研究成果75

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;在國產(chǎn)釩催化劑上二氧化硫接氣過程的熱效應(yīng)的初步考察[J];硫酸工業(yè);1979年S1期

2 李大東;;催化劑評選技術(shù)(上)[J];石油煉制與化工;1981年06期

3 吳廣林;;硫化物對氨催化劑活性的影響及其防止辦法[J];化肥工業(yè);1981年03期

4 劉瑞寰;;鈷催化劑代鉑生產(chǎn)硝酸幾個問題的討論[J];化肥工業(yè);1981年05期

5 ;A_(110-1)型催化劑使用小結(jié)[J];氮肥技術(shù);1981年01期

6 ;低流體阻力釩催化劑的研制[J];硫酸工業(yè);1983年02期

7 戴鶴松;;使用維護(hù)好化肥催化劑以節(jié)能降耗[J];江蘇化工;1983年02期

8 馮孝庭;;轉(zhuǎn)化催化劑的研究開發(fā)與使用[J];天然氣化工(C1化學(xué)與化工);1985年06期

9 豐定豪;王文祥;;氨合成球形催化劑的工業(yè)使用[J];小氮肥設(shè)計技術(shù);1986年05期

10 劉忠恕;;中變(低溫)催化劑的合理使用與節(jié)能[J];氮肥技術(shù);1986年06期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 王琦;王樹榮;高翔;駱仲泱;岑可法;;SCR脫硝催化劑的性能試驗研究[A];中國動力工程學(xué)會第三屆青年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2005年

2 蔣煒;梁斌;;整體式釩催化劑的實(shí)驗室開發(fā)[A];第1屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會論文集[C];2004年

3 黃元福;;全低變催化劑非氧化卸出的實(shí)踐[A];全國化肥工業(yè)技術(shù)交流會論文資料集[C];2004年

4 余東洋;;淺談預(yù)變爐催化劑更換方式[A];第十屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會論文集[C];2013年

5 余東洋;;淺談預(yù)變爐催化劑更換方式[A];第十屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會論文集[C];2013年

6 楊學(xué)萍;;丙烯酸合成催化劑及工藝開發(fā)進(jìn)展[A];第2屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會論文集[C];2005年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 全榮;高效利用焦?fàn)t煤氣中氫的技術(shù)研究[N];世界金屬導(dǎo)報;2012年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉芳芳;生物質(zhì)衍生摻雜碳基催化劑的制備及其氧還原電催化性能的研究[D];華南理工大學(xué);2015年

2 蔡雯佳;甲烷二氧化碳重整反應(yīng)催化劑的研究[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

3 李翔;Pt/CNTs催化劑的甲醇氧化和氧還原電催化機(jī)制及其鎳、鈷磷化物改性[D];華南理工大學(xué);2015年

4 彭洪亮;摻雜碳基催化劑的制備及其氧還原性能研究[D];華南理工大學(xué);2015年

5 羅凡;低溫燃料電池高活性高穩(wěn)定性鉑基催化劑的研究[D];華南理工大學(xué);2015年

6 竺新波;等離子體協(xié)同催化脫除揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的機(jī)理研究[D];浙江大學(xué);2015年

7 閆星旭;電紡Fe-N-C:O納米纖維電催化氧氣還原反應(yīng)的性能和機(jī)理[D];清華大學(xué);2015年

8 吳燕妮;高性能及低鉑燃料電池催化劑的制備及研究[D];華南理工大學(xué);2010年

9 初園園;直接甲醇燃料電池陽極Pt基催化劑可控合成及性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

10 蘇虹;質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑的研究[D];中國科學(xué)院研究生院（理化技術(shù)研究所）;2009年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉春紅;醋酸甲酯加氫制醇Cu-Zn-Al催化劑的性能研究[D];西安石油大學(xué);2015年

2 張璐;Au/CuO-CeO_2催化劑用于CO優(yōu)先氧化反應(yīng)性能及活性位的研究[D];內(nèi)蒙古大學(xué);2015年

3 李昊;Ce-Ti-W-O_x體系催化劑的制備及其NH_3-SCR性能研究[D];昆明理工大學(xué);2015年

4 卜興軍;甲醇電化學(xué)氧化催化劑的研究[D];浙江大學(xué);2015年

5 葛余俊;鈷、氮摻雜多孔碳作為氧還原催化劑的研究[D];浙江大學(xué);2015年

6 趙卉茹;亞氧化鈦負(fù)載Pt、Pd和Pt-Tb催化劑對甲酸電氧化的催化性能研究[D];河南師范大學(xué);2015年

7 訾玲華;結(jié)構(gòu)化催化劑內(nèi)多相流流動及傳質(zhì)性能模擬研究[D];北京化工大學(xué);2015年

8 姜倩;直接乙醇燃料電池低鉑三組元催化劑的制備及其催化性能的研究[D];北京化工大學(xué);2015年

9 李鑫;柴油機(jī)SCR催化劑結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化研究[D];大連海事大學(xué);2014年

10 劉豐國;多孔地聚物催化劑的制備及其催化脫水氧化性能的研究[D];浙江工業(yè)大學(xué);2015年

  本文關(guān)鍵詞：氮、硫摻雜Fe@C基氧還原催化劑的制備及電催化性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：499672