發(fā)布時間：2017-08-03 11:32

  本文關(guān)鍵詞：酞菁鈷基燃料電池陰極電催化材料的構(gòu)筑及性能研究

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【摘要】：燃料電池作為目前最有效的氫能利用方式之一,具有能源利用效率高、綠色環(huán)保、功率密度大等諸多優(yōu)點。迄今為止,Pt基催化劑仍然是目前性能最優(yōu)異的燃料電池陰極催化劑,但是其價格昂貴,儲量稀少,嚴重限制了燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用。因此,研究Pt基貴金屬催化劑的高效利用和完全替代已成為燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵問題。金屬酞菁是一類具有M-N4結(jié)構(gòu)大環(huán)化合物,常用作非貴金屬M-N4/C電催化劑的前驅(qū)體。復(fù)合金屬氫氧化物(LDHs)是一類具有層狀結(jié)構(gòu)的典型陰離子型黏土,具有主體層板組成、層板電荷密度以及層間客體陰離子的多重可調(diào)變性,常用作吸附材料、功能助劑材料以及催化劑或催化劑前驅(qū)體材料。因此,基于LDHs的表面吸附性、層間客體可插層性,將金屬酞菁吸附到LDH表面或插層組裝到LDH層間,然后通過合適溫度下焙燒得到M-N4/C和尖晶石結(jié)構(gòu),前者是ORR的活性中心而后者則是OER的活性中心,因為有望構(gòu)筑一類新型的高活性雙功能非貴金屬電催化材料。本文以磺化酞菁鉆為M-N4/C活性結(jié)構(gòu)前驅(qū)體,通過吸附和插層組裝兩種手段,分別將磺化酞菁鉆吸附到Ni2Fe-LDHs顆粒表面和插層組裝到Ni2Fe-LDH層間,可控制備得到CoPcTs/Ni2Fe-LDH和Ni2Fe-CoPcTs-LDH兩種復(fù)合材料,然后通過熱處理等后處理獲得具有ORR和OER活性位點的非貴金屬雙功能電催化材料。通過XRD、FT-IR、Raman、SEM、XPS等手段對樣品結(jié)構(gòu)、形貌等進行詳細表征分析,采用循環(huán)伏安和旋轉(zhuǎn)圓盤等電化學(xué)技術(shù)分析樣品在堿性電解質(zhì)中的ORR和OER電催化性能。主要研究結(jié)果如下：(1)以Fe(NO3)3、Ni(NO3)2為鹽溶液、NaOH和NaC03為堿溶液,通過成核／晶化隔離法制備Ni2Fe-LDH。將其加入到CoPcTs溶液中,獲得不同吸附量的CoPcTs/Ni2FeLDH復(fù)合材料,在惰性氣氛下經(jīng)700℃焙燒制得雙功能催化劑(CoNx/NiFe2O4)。、當吸附量為120mg·g-1時,焙燒產(chǎn)物在堿性電解質(zhì)中電催化性能最優(yōu),其中在0.1 MKOH中ORR的起始電壓0.86 V vs. RHE,在2500 rpm轉(zhuǎn)速下半波電位為0.72 V vs. RHE,極限電流密度為-5.20 mA·cm-2,其反應(yīng)過程為4e途徑,在1.0MKOH中OER在10 mA·cm-2時的過電位為380 mV,AE(EOER-EORR)為0.86 V,優(yōu)于貴金屬催化劑Pt/C和IrO2。(2)以Fe(NO3)3和Ni(NO3)2為鹽溶液、NaOH為堿溶液、十二烷基硫酸鈉(SDS)為層間客體,通過成核/晶化隔離法制備Ni2Fe-SDS-LDH前驅(qū)體。采用離子交換法,將CoPcTs插層到Ni2Fe-SDS-LDH層間,通過控制離子交換時間得到層間插層量不同的Ni2Fe-CoPcTs-LDH插層復(fù)合材料。在惰性氣氛下經(jīng)600℃焙燒得到雙功能催化劑(CoNx/NiFe2O4)。當層間CoPcTs的插層量為141mg·g-1,焙燒產(chǎn)物的電催化性能最好,其中在0.1 M KOH中ORR的起始電壓0.84 V vs. RHE,在2500 rpm轉(zhuǎn)速下半波電位為0.69 V vs.RHE,極限電流密度為-7.01 mA·cm-2,其反應(yīng)過程為4e途徑,在1.0 MKOH中OER在10 mA·cm-2時的過電位為373 mV, AE(EOER-EORR)為0.84 V,優(yōu)于貴金屬催化劑Pt/C和IrO2。
【關(guān)鍵詞】：氧還原反應(yīng) 析氧反應(yīng) 金屬酞菁化合物 復(fù)合金屬氫氧化物 非貴金屬雙功能催化劑
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(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4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 燃料電池的概述12-13
• 1.2.1 燃料電池簡介12
• 1.2.2 燃料電池的工作原理12-13
• 1.3 陰極催化劑的分類13-16
• 1.3.1 Pt系陰極催化劑14
• 1.3.2 非Pt系類陰極催化劑14-16
• 1.4 酞菁化合物的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用16-19
• 1.4.1 酞菁鈷的結(jié)構(gòu)16
• 1.4.2 酞菁鈷在電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用16-19
• 1.5 層狀雙羥基復(fù)合金屬氧化物(LDHs)19-22
• 1.5.1 層狀雙羥基復(fù)合金屬氧化物(LDHs)的結(jié)構(gòu)19-20
• 1.5.2 層狀雙羥基復(fù)合金屬氧化物(LDHs)在電化學(xué)方面的應(yīng)用20-22
• 1.6 ORR-OER雙功能催化劑的研究22
• 1.7 選題的研究部分22-24
• 第二章 實驗部分24-28
• 2.1 實驗原料24
• 2.2 CoPcTs/Ni_2FeLDH-CA雙功能催化劑的制備24-25
• 2.3 Ni_2Fe-CoPcTs-LDH-CA雙功能催化劑的制備25
• 2.3.1 前驅(qū)體Ni_2Fe-SDS-LDH的制備25
• 2.3.2 插層材料Ni_2Fe-CoPcTs-LDH-CA的制備25
• 2.4 分析測試25-28
• 第三章 CoPcTs/Ni_2Fe-LDH的制備及電催化性能研究28-44
• 3.1 引言28
• 3.2 前驅(qū)體CoPcTs/Ni_2Fe-LDH的結(jié)構(gòu)表征28-30
• 3.3 陰極催化材料CoNx/NiFe_2O_4的結(jié)構(gòu)表征30-34
• 3.4 陰極催化材料CoNx/NiFe_2O_4的ORR性能分析34-40
• 3.5 陰極催化材料CoNx/NiFe_2O_4的OER性能分析40-41
• 3.6 陰極催化材料CoNx/NiFe_2O_4的OER-ORR性能分析41-42
• 3.7 本章小結(jié)42-44
• 第四章 Ni_2Fe-CoPcTS-LDH的制備及電催化性能研究44-68
• 4.1 引言44
• 4.2 前驅(qū)體Ni_2Fe-CoPcTs-LDH的結(jié)構(gòu)表征44-46
• 4.3 陰極催化材料Ni_2Fe-CoPcTs-LDH的結(jié)構(gòu)表征46-52
• 4.4 陰極催化材料Ni_2Fe-CoPcTs-LDH的ORR性能分析52-56
• 4.5 陰極催化材料Ni_2Fe-CoPcTs-LDH的OER性能分析56-57
• 4.6 陰極催化材料CoNx/NiFe_2O_4的ORR性能分析57-62
• 4.7 陰極催化材料CoNx/NiFe_2O_4的OER性能分析62-63
• 4.8 Ni_2Fe-CoPcTs-LDH和CoNx/NiFe_2O_4的ORR性能分析比較63-64
• 4.9 陰極催化材料CoNx/NiFe_2O_4的ORR-OER性能分析64-65
• 4.10 本章小結(jié)65-68
• 第五章 結(jié)論68-70
• 本論文的創(chuàng)新點70-72
• 參考文獻72-80
• xO究成果及學(xué)術(shù)論文80-82
• 致謝82-84
• 論文作者及導(dǎo)師簡介84-86
• 附件86-87

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