本文關(guān)鍵詞：基于高分子負(fù)載非貴金屬構(gòu)建燃料電池氧還原催化劑的研究

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【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)作為燃料電池的代表,能夠有效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,因其具能量轉(zhuǎn)換效率高,功率密度高,啟動(dòng)快,零排放等特點(diǎn),被認(rèn)為是非常有希望的移動(dòng)能源裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)一步發(fā)展也面臨突出的問(wèn)題:代價(jià)高、活性低和耐久性差,其主要瓶頸在于其所使用催化劑的貴金屬含量高,耐久性差。在PEMFC工作過(guò)程中,大量的Pt及其合金應(yīng)用于催化氫氣氧化或其它液態(tài)燃料的氧化反應(yīng)和催化氧氣還原的還原反應(yīng)(ORR)。目前,盡管Pt基ORR催化劑的成本高、活性低和耐久性不足等增加了PEMFC的代價(jià),Pt基ORR催化劑仍然在催化劑材料中占據(jù)主要地位。因此,研究制備出活性和穩(wěn)定性高的非貴金屬ORR催化劑對(duì)于PEMFC的商業(yè)化應(yīng)用是至關(guān)重要的。本論文立意于制備出高活性和高穩(wěn)定性的非貴金屬ORR催化劑,以替代Pt基催化劑,從而達(dá)到大大降低PEMFC成本的目的。提出的兩種基于非貴金屬構(gòu)建高活性高穩(wěn)定性的ORR催化劑的制備方法,能夠使用非貴金屬替代貴金屬的同時(shí)獲得同等或者更優(yōu)的性能。并在構(gòu)建高分子負(fù)載非貴金屬制備氧還原催化劑的方面開(kāi)展研究,包括以下四個(gè)部分:1、對(duì)PEMFC的非貴金屬催化劑的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,著重介紹了構(gòu)建非貴金屬催化劑前驅(qū)體的組成部分:碳載體、過(guò)渡金屬、含氮高分子。然后確定了我們基于非貴金屬制備ORR催化劑的研究方案。2、說(shuō)明實(shí)驗(yàn)需要用到的儀器和藥品,以及所用到的大型儀器,并簡(jiǎn)要介紹了必要的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn),比如對(duì)已購(gòu)買(mǎi)原材料的預(yù)處理。3、使用流動(dòng)性能較好的丙烯腈調(diào)聚物(ANT)為前驅(qū)體制備N(xiāo)和S雙摻雜的Co/ANT/C的催化劑。以商用炭黑為載體負(fù)載ANT和Co鹽,通過(guò)低溫預(yù)氧化和高溫?zé)峤馊叩幕旌衔锏姆椒ㄒ徊胶铣刹牧�。這樣增大了ANT和過(guò)渡金屬前驅(qū)體之間接觸面積,從而提升ORR活性。值得注意的是,相比于高分子量的PAN,通過(guò)使用ANT作為前驅(qū)體,得到的催化劑材料展示出優(yōu)異的ORR性能的提升,如在起始電位和極限電流密度上。此外,所制備的Co/ANT/C催化劑在高載量的條件下表現(xiàn)出與商業(yè)Pt/C接近的催化活性。電化學(xué)數(shù)據(jù)還表明Co/ANT/C直接參與4電子過(guò)程直接促進(jìn)O2還原為OH-,并且具備長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能。由于優(yōu)異的催化性能和較低的成本,Co/ANT/C具有廣泛應(yīng)用在質(zhì)子交換膜燃料電池的潛能。4、以BSA為前驅(qū)體替代丙烯腈的使用,我們探索出一種合成ORR催化劑的新路徑。使用價(jià)格低且無(wú)毒的BSA作為N和S的共同摻雜前驅(qū)體,以商用炭黑為載體、復(fù)合Fe的金屬鹽,通過(guò)一步摻雜程序制備出N和S雙摻雜的非貴金屬的催化劑。該合成方法具有操作簡(jiǎn)單,環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。該方法合成的新型催化劑Fe/BSA/C在堿性環(huán)境下的ORR活性與商業(yè)Pt/C催化劑具有可比性,而且穩(wěn)定性也要比商業(yè)Pt/C較優(yōu)。這歸功于BSA炭化以后形成的結(jié)構(gòu):相對(duì)較高的吡啶-N含量和石墨化程度高的碳層�；贔e/BSA/C杰出的ORR催化性能和穩(wěn)定性,而且制作工藝清潔環(huán)保,我們合成的催化劑能在PEMFC中的直接用作陰極ORR催化劑材料。據(jù)我們了解,使用BSA作為摻雜劑設(shè)計(jì)一步法合成N和S雙摻雜的應(yīng)用于ORR催化劑的碳材料還從未被報(bào)道過(guò)。這項(xiàng)工作將會(huì)引起更多關(guān)于使用BSA作為碳前驅(qū)體制備各種各樣的碳材料的研究。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36;TM911.4

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 杜墨;大豆制氧還原反應(yīng)催化劑的研究[D];重慶大學(xué);2014年

2 劉萍;蛋清制氧還原反應(yīng)電催化劑的研究[D];重慶大學(xué);2013年

3 高金柱;豬血熱解制氧陰極還原反應(yīng)催化劑的研究[D];重慶大學(xué);2012年

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本文編號(hào)：1254924