燃料電池是一種清潔無污染和有著極高能量轉(zhuǎn)換效率的發(fā)電裝置，在解決重大能源問題中占著舉足輕重的地位。然而，其關(guān)鍵的陰極氧還原反應(yīng)（ORR）動(dòng)力學(xué)緩慢，不僅限制了燃料電池的性能，而且需要稀有和價(jià)格高昂的貴金屬作為催化劑，這嚴(yán)重地阻礙了燃料電池的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。為了解決這些問題，許多研究利用貴金屬和其它過渡金屬形成合金或核殼等特殊結(jié)構(gòu)，降低貴金屬的載量，提高其利用率和催化劑的活性，但是這始終不能擺脫使用貴金屬帶來高成本的局限性。因此，人們逐漸開始把注意力轉(zhuǎn)向非貴金屬催化劑的研發(fā)，試圖替代目前使用的商業(yè)化Pt/C催化劑。 本文以低廉的成本、簡(jiǎn)單的制備工藝出發(fā)，設(shè)計(jì)并制備了兩種具有高氧還原催化活性的非貴金屬催化劑。 首先，設(shè)計(jì)了一種具有同軸納米電纜結(jié)構(gòu)的原位氮摻雜碳非金屬氧還原催化劑。本實(shí)驗(yàn)以葡萄糖為碳源，經(jīng)水熱法得到炭質(zhì)層包覆的碳納米管，將該產(chǎn)物作為前驅(qū)體與氮源三聚氰胺混合后進(jìn)行熱處理后，得到所設(shè)計(jì)的催化劑。同軸納米電纜結(jié)構(gòu)催化劑的鞘層為氮摻雜多孔碳材料，不僅賦予催化劑高的比表面積，而且使反應(yīng)物能迅速接觸活性位和反應(yīng)產(chǎn)物迅速擴(kuò)散出去。更重要的是，高溫下炭質(zhì)層中有機(jī)小分子逸出，產(chǎn)生孔道，同時(shí)碳原子趨向石墨化排列，為原位摻雜方法的一種，因此得到的催化劑具有高氮原子含量。納米電纜結(jié)構(gòu)催化劑的內(nèi)層為碳納米管，提供三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，加速電子的轉(zhuǎn)移。本文采用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、氮?dú)獾葴匚摳綔y(cè)試和X射線光電子能譜（XPS）表征方法，證明了催化劑為同軸納米電纜結(jié)構(gòu)，并且有高氮原子含量及高比表面積，用電化學(xué)測(cè)試得到該催化劑表現(xiàn)出優(yōu)良的ORR催化性能和穩(wěn)定性，為最好的非金屬催化劑之一。 其次，雖然目前非貴金屬催化劑的研究非常廣泛，但是高活性和活性甚至超越商業(yè)Pt/C的催化劑報(bào)道極少。本實(shí)驗(yàn)在前一工作的基礎(chǔ)之上，向體系引入過渡金屬鐵元素，經(jīng)熱處理后形成已被報(bào)道的高活性位點(diǎn)——FeN4結(jié)構(gòu)，而后通過調(diào)節(jié)過渡金屬的含量，含有FeN4活性位的催化劑中產(chǎn)生了新的物種，即石墨化碳層包覆的金屬態(tài)鐵和Fe3C納米粒子，同時(shí)活性得到明顯改善，并且在堿性溶液中的ORR極化曲線測(cè)試結(jié)果表明該催化劑的活性超越商業(yè)Pt/C催化劑。通過X射線衍射（XRD）、TEM、XPS、擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）表征手段，分析了催化劑的形貌、組成和結(jié)構(gòu)，并根據(jù)已經(jīng)報(bào)道的具有類似結(jié)構(gòu)的高氧還原活性催化劑文獻(xiàn)，本論文認(rèn)為金屬態(tài)鐵或Fe3C納米粒子的外層石墨化碳層中含有FeN4結(jié)構(gòu)，并且納米顆粒中的鐵原子對(duì)FeN4活性位具有電子修飾作用，明顯地增強(qiáng)了氧還原活性。這一增強(qiáng)機(jī)制可以解釋許多報(bào)道的高活性的催化劑。盡管該機(jī)制還有待于理論計(jì)算的驗(yàn)證，但是這可能會(huì)為設(shè)計(jì)新型具有潛力替代鉑基催化劑的非貴金屬催化劑提供新的思路。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：TM911.4;O643.36

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 劉建,周光月,鄭恩華,周偉,陳志全,郭珊云;燃料電池的研究與開發(fā)(Ⅰ)[J];貴金屬;1999年04期

2 ;Alkaline polymer electrolyte fuel cells: Principle, challenges, and recent progress[J];Science China(Chemistry);2010年02期

3 查全性;燃料電池技術(shù)的發(fā)展與我國(guó)應(yīng)有的對(duì)策[J];應(yīng)用化學(xué);1993年05期

本文編號(hào)：2824507