【摘要】：開發(fā)出高性能的低、非鉑陰極氧還原催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)技術(shù)成功商業(yè)化的關(guān)鍵。石墨烯因超高比表面積、良好的電子導(dǎo)電性及豐富的摻雜特性近年來在燃料電池催化劑方面表現(xiàn)出許多潛在的應(yīng)用價值。理論和實驗研究均表明,氮摻雜石墨烯(NG)或鐵氮共摻雜石墨烯(Fe/NG)具有一定的氧還原催化能力。另外NG上的含氮官能團還能成為貴金屬粒子的錨定位,從而增強貴金屬顆粒與石墨烯片層之間的相互作用。本論文開展了NG這兩方面研究,一是直接作為非鉑氧還原催化劑；二是作為鉑納米顆粒載體制備低鉑陰極催化劑的研究,主要內(nèi)容和結(jié)果總結(jié)如下： (1)氮摻雜石墨烯催化劑的制備及其電化學(xué)性質(zhì)研究。以氧化石墨烯為原料,尿素為還原劑和摻雜劑,高溫熱處理合成NG并研究其對氧還原的電催化特性。研究結(jié)果表明：氧化石墨烯的含氧官能團在200度附近與尿素分解中間體發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致前驅(qū)體混合物中的尿素相對純態(tài)的熱分解速率加快,完全熱分解溫度提前；NG中含氮基團在較低熱處理溫度時主要由氨基氮構(gòu)成,隨溫度升高逐漸向吡啶氮過渡,最后轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的石墨氮。這種含氮基團鍵合類型隨溫度的變化過程表明氮原子逐漸整合進入石墨烯晶格內(nèi)部；NG的氧還原活性在很大程度上取決于熱處理溫度。900度熱處理時所生成NG的催化活性最好,而此時石墨氮含量最大,這說明石墨氮在氧還原催化中起重要作用。 (2)鐵氮共摻雜石墨烯催化劑的制備及其電化學(xué)性質(zhì)研究。采用單步熱處理含有鐵鹽、尿素、碳黑和氧化石墨烯的前驅(qū)體混合物制備出一種高效的非貴金屬氧還原電催化劑(Fe/NG/C)。研究結(jié)果表明：碳黑作為支撐物引入可以抑制石墨烯片的聚結(jié),增加了所制備催化劑的比表面積,確保位于石墨烯片表面的催化活性位點被充分使用；與純NG相比,鐵物種的加入使得所獲得材料的催化活性大幅提升,意味著含鐵活性中心較無金屬活性中心催化效率更高；在熱處理過程中使用固體尿素作為形成NG基催化劑的氮源,由于不會對碳材料造成強烈的蝕刻效果,所制備材料表面上的含鐵活性位點密度高且分布均勻；這種含鐵和碳黑的NG基催化劑的活性在堿性介質(zhì)中相當于商業(yè)Pt/C,而在酸性介質(zhì)中接近商業(yè)Pt/C。 (3)氮摻雜石墨烯載鉑催化劑的制備及其電化學(xué)性質(zhì)研究。采用乙二醇還原法成功將鉑納米顆粒負載在作為載體的Fe/NG/C催化劑上,制備出一種低鉑陰極氧還原催化劑(Pt(Fe)/NG/C)。研究結(jié)果表明：與相同制備流程下的自制Pt/C相比,這種載鉑催化劑具有更均勻地散布的Pt納米顆粒和更窄的粒徑分布,電化學(xué)活性面積顯著提高。而且由于NG載體與Pt納米顆粒之間的協(xié)同效應(yīng),氧還原的Pt質(zhì)量活性進一步提升。更重要是穩(wěn)定性顯著優(yōu)于目前商業(yè)的Pt/C催化劑,說明石墨烯結(jié)構(gòu)中摻雜的氮原子起到錨定Pt顆粒防止其聚結(jié)的作用。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O643.36;TM911.4

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 俞紅梅;衣寶廉;;車用燃料電池現(xiàn)狀與電催化[J];中國科學(xué):化學(xué);2012年04期

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本文編號：2550046