發(fā)布時間：2017-08-19 07:35

  本文關(guān)鍵詞：熱解聚苯胺—金屬配位聚合物制備碳基催化劑及催化性能研究

  更多相關(guān)文章： 金屬-氮-碳催化劑 聚苯胺 過渡金屬鹽 溶劑 電催化活性

【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)具有功率密度高、操作溫度低和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是理想的清潔能源轉(zhuǎn)化裝置,但是燃料電池的高成本限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。目前PEMFCs使用的陰極和陽極催化劑主要為Pt基催化劑,由于Pt資源稀缺,導(dǎo)致催化劑成本高,而且Pt容易CO中毒失去活性,這些因素使催化劑成為限制PEMFCs商業(yè)化的重要原因。因此,研究與開發(fā)非鉑催化劑來代替Pt基催化劑對于PEMFCs的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在諸多的非鉑催化劑當(dāng)中,碳基催化劑受到廣泛關(guān)注,其中氮摻雜碳基催化劑因其穩(wěn)定性良好和成本低已成為近年來PEMFCs陰極催化劑的研究熱點(diǎn)。而通過熱解過渡金屬-配位聚合物制備的金屬-氮-碳(M-N-C)催化劑被認(rèn)為是最有希望的氮摻雜碳基催化劑之一。本文通過化學(xué)氧化聚合法,將過渡金屬(M=Fe、Co、FeCo)鹽在苯胺聚合過程中加入,合成不同的聚苯胺-金屬(PANI-M)配位聚合物,然后用乙醇或水等不同的溶劑浸泡清洗,最后將配位聚合物作為氮源和碳源前驅(qū)體在N2氣氛中900℃熱處理,得到不同的M-N-C氮摻雜碳基催化劑,并制備了未加金屬的聚苯胺(PANI)前驅(qū)體和相應(yīng)的C-N氮摻雜碳基催化劑作為對比。采用FTIR、Raman、 XPS、XRD、TOP-SIMS和TEM等分析手段分析PANI-M\PANI前驅(qū)體和M-N-C\C-N催化劑的形貌、表面化學(xué)成分和結(jié)構(gòu),研究了溶劑對聚苯胺前驅(qū)體結(jié)構(gòu)和M-N-C催化劑電催化性能的影響。結(jié)果表明,PANI-M配位聚合物經(jīng)溶劑浸泡清洗后,其表面的一些硫化物及不穩(wěn)定的物相明顯減少并發(fā)生了一定程度的脫摻雜,使乙醇浸泡清洗后的PANI-Fe前驅(qū)體的摻雜率接近理想值0.5, PANI-Fe前驅(qū)體的微觀形貌由原始的片狀向納米齒狀發(fā)生衍變,制備的M-N-C催化劑的電催化活性明顯提高。M-N-C催化劑活性提高的原因主要是溶劑使PANI-M前驅(qū)體的形貌、結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)組成和化學(xué)狀態(tài)發(fā)生了變化,使其在熱處理過程中能夠產(chǎn)生更多的活性位,促使電催化性能提高。在以上研究的基礎(chǔ)上,利用不同的Fe鹽、Co鹽和FeCo鹽分別制備了14種用乙醇浸泡清洗后的PANI-M前驅(qū)體和相應(yīng)的M-N-C催化劑(M= Fe、Co、FeCo),用電化學(xué)方法測試了M-N-C催化劑的電催化活性,研究了不同過渡金屬鹽對PANI-M前驅(qū)體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,金屬鹽的含量、金屬陽離子的化學(xué)價態(tài)和種類,以及陰離子種類會對PANI-M前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)和M-N-C催化劑的電催化性能產(chǎn)生影響。
【關(guān)鍵詞】：金屬-氮-碳催化劑 聚苯胺 過渡金屬鹽 溶劑 電催化活性
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(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5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-26
• 1.1 引言12-13
• 1.2 PEMFCs非鉑碳基催化劑研究進(jìn)展13-18
• 1.2.1 金屬-氮-碳催化劑13-18
• 1.2.2 氮-碳催化劑18
• 1.3 聚苯胺18-23
• 1.3.1 聚苯胺的概述18
• 1.3.2 聚苯胺的合成18
• 1.3.3 聚苯胺的摻雜、導(dǎo)電與分子結(jié)構(gòu)18-20
• 1.3.4 聚苯胺的微納米結(jié)構(gòu)及形貌20-23
• 1.4 論文選題思路及工作內(nèi)容23-26
• 1.4.1 論文選題思路23-24
• 1.4.2 本文的研究內(nèi)容24-26
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料和方法26-36
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)儀器26-29
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料26-27
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器27-28
• 2.1.3 分析表征設(shè)備28-29
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方案29-30
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法30-31
• 2.3.1 PANI-M前驅(qū)體的合成30
• 2.3.2 PANI前驅(qū)體的合成30
• 2.3.3 M-N-C/C-N催化劑的制備30-31
• 2.4 工作電極的制備31
• 2.5 分析表征手段31-36
• 2.5.1 電化學(xué)性能測試31-33
• 2.5.2 傅里葉變換紅外光譜33
• 2.5.3 拉曼光譜33
• 2.5.4 X-射線光電子能譜33-34
• 2.5.5 X-射線衍射分析34
• 2.5.6 飛行時間二次離子質(zhì)譜分析34-35
• 2.5.7 透射電子顯微鏡35-36
• 第三章 溶劑對M-N-C催化劑電催化性能的影響36-72
• 3.1 引言36-37
• 3.2 M-N-C/C-N催化劑的制備37-38
• 3.3 結(jié)果與討論38-69
• 3.3.1 M-N-C/C-N催化劑的電化學(xué)性能表征38-43
• 3.3.2 PANI-Fe/PANI前驅(qū)體的FTIR表征43-47
• 3.3.3 PANI-Fe/PANI前驅(qū)體的Raman表征47-49
• 3.3.4 PANI-Fe/PANI前驅(qū)體的XPS表征49-55
• 3.3.5 Fe-N-C/C-N催化劑的XPS表征55-59
• 3.3.6 PANI-Fe前驅(qū)體的TOF-SIMS表征59-63
• 3.3.7 PANI-M/PANI前驅(qū)體的XRD表征63-65
• 3.3.8 M-N-C/C-N催化劑的XRD表征65-67
• 3.3.9 PANI-M/PANI前驅(qū)體的TEM表征67-69
• 3.4 本章小結(jié)69-72
• 第四章 不同過渡金屬鹽對M-N-C催化劑電催化性能的影響72-86
• 4.1 引言72
• 4.2 不同M-N-C催化劑的制備72-73
• 4.3 結(jié)果與討論73-85
• 4.3.1 不同M-N-C催化劑的電化學(xué)性能表征73-81
• 4.3.2 不同PANI-Fe前驅(qū)體的FTIR表征81-83
• 4.3.3 不同PANI-Fe前驅(qū)體的XRD表征83-85
• 4.4 本章小結(jié)85-86
• 第五章 結(jié)論與展望86-90
• 5.1 主要結(jié)論86-88
• 5.2 本文的創(chuàng)新點(diǎn)88
• 5.3 展望88-90
• 致謝90-92
• 參考文獻(xiàn)92-102
• 附錄A 攻讀碩士學(xué)位期間取得的科研成果情況102-103
• 附錄B 攻讀碩士學(xué)位期間參加的主要科研項目103

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本文編號：699491