發(fā)布時間：2020-03-22 15:30

【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)被廣泛認(rèn)為是一種最有應(yīng)用前景的綠色能源技術(shù)之一。然而,陰極氧氣還原反應(yīng)的鉑基催化劑價(jià)格昂貴,PEMFC的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用面臨巨大挑戰(zhàn)。過渡金屬/雜原子摻雜碳材料電催化劑具有價(jià)格低廉、催化活性高、電化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)勢,因而成為最有發(fā)展前景的Pt替代催化劑之一。本文分別以苯基橋連有機(jī)氧化硅納米管及-SO_3H、-NH_2功能化有機(jī)氧化硅納米管為硬模板,以卟啉鐵為前驅(qū)體制備Fe/雜原子摻雜碳納米棒,得到高效電催化氧還原反應(yīng)催化劑。以苯基橋連的有機(jī)氧化硅納米管為硬模板,卟啉鐵為前驅(qū)體,通過浸漬-焙燒-刻蝕的方法,優(yōu)化前驅(qū)體與模板比例,制備了直徑約14nm,表面嵌有Fe/Fe_3C納米晶體的Fe/N-C納米棒。XPS結(jié)果表明,納米棒中的氮主要以吡啶型氮為主。此外,與無模板和純硅納米管為硬模板制備的鐵氮碳相比,Fe/N-C納米棒具有更大的比表面積和I_D/I_G值,可暴露更多的活性位點(diǎn),具有更高的石墨化程度和電子轉(zhuǎn)移速度,因此具有優(yōu)異的ORR催化性能。以-SO_3H功能化的有機(jī)氧化硅納米管為硬模板,制備Fe/S/N共摻雜碳納米棒。結(jié)果表明,Fe/N/S-C納米棒形貌尺寸與硬模板(S-BSiNT)相貼合,直徑約為13nm。XPS結(jié)果表明,S以-C-S-C-等形式成功摻雜進(jìn)納米棒中,此外,隨著硫摻雜量的提高,Fe/N/S-C納米棒表面吡啶型氮含量不斷增加。與低含硫量Fe/N/S-C納米棒和未摻雜的Fe/N-C納米棒相比,Fe/N-C(0.5S-BSiNT)具有更高的ORR催化活性,半波電位為0.83 Vvs.RHE,電流密度為-0.70 mA·cm~(-2)(0.9 Vvs.RHE)。一方面,硫摻雜后產(chǎn)生利于吡啶型氮生長的環(huán)境,增加活性位點(diǎn);另一方面,硫與氮共摻雜碳,也有利于活性的提高。以-NH_2功能化的有機(jī)氧化硅納米管為硬模板,制備氮摻雜的鐵氮碳催化劑,以期提高催化劑的氮含量,從而提高Fe/N-C納米棒的Fe-N含量,增加ORR活性位點(diǎn)。結(jié)果表明,與無摻雜的Fe/N-C納米棒相比,氮摻雜后Fe/N-C納米棒在氧氣還原反應(yīng)過程中半波電位偏正10mV。
【圖文】：

圖 1-1 燃料電池示意圖Figure 1-1 The scheme of fuel cell ORR 反應(yīng)機(jī)理料電池陰極發(fā)生氧氣還原反應(yīng)，該反應(yīng)包含多步基元反應(yīng)，和多種的形成。目前，氧氣還原反應(yīng)主要分為兩種路徑。一種是直接四電子溶液中將氧氣還原為 H2O 或在堿性溶液中將氧氣還原為 OH-。另途徑，在酸性溶液中先生成中間產(chǎn)物 H2O2或者在堿性溶液中先生HO2-，這些中間產(chǎn)物分解產(chǎn)生的氧氣會繼續(xù)參加反應(yīng)[6-8]。1)四電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)酸性電解質(zhì)中：O2+4H++4e→2H2O堿性電解質(zhì)中：O2+2H2O+4e→4OH-2)二電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)酸性電解質(zhì)中：O2+2H++2e→H2O2

圖 1-2 Fe/N-C 納米棒合成路徑Figure 1-2 Fabrication scheme of Fe/N-C nanorod金屬與氮共摻雜碳 ORR 性能的影響因素前 M/N-C 氧氣還原反應(yīng)催化劑的活性位點(diǎn)和反應(yīng)機(jī)理尚 M/N-C 催化劑的 ORR 活性、選擇性和電化學(xué)穩(wěn)定性與金型和含量密切相關(guān)。因此，為了提高 M/N-C 催化劑的 O者們一直致力于前驅(qū)體的選擇、熱處理?xiàng)l件和催化劑結(jié)構(gòu)。心種類明 Fe、Co 類催化劑具有較高的氧氣還原反應(yīng)催化性能。以 Fe、Co 為中心的氧氣還原反應(yīng)催化劑在堿性環(huán)境中以 非貴金屬為中心的催化 劑， 氧氣還原反應(yīng) 活性>Ni>Zn>Cu。Bashyam 等[62]以硝酸鈷為金屬源，以吡咯為備的 Co-PPy-C 催化劑表現(xiàn)出較高的氧氣還原反應(yīng)活性和
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TM911.4

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6 記者 張建列 通訊員 陳W，

本文編號：2595240