本文關(guān)鍵詞：氮摻雜碳載非貴金屬的氧還原催化劑研究

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【摘要】：發(fā)展用于氧氣擴(kuò)散陰極(ODC)的高效電催化劑是提高包括燃料電池、金屬-空氣電池和氯堿電解、碳酸鈉電解在內(nèi)的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置性能最為重要的方法之一。然而,由于氧還原反應(yīng)(ORR)本身遲緩的動(dòng)力學(xué)特征,通常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的陰極極化,這也就使得燃料電池和金屬-空氣電池的輸出電壓降低,而電解池的輸入電壓升高。長(zhǎng)久以來(lái),鉑基催化劑一直被公認(rèn)為是ORR最有效的催化劑,但鉑基催化劑存在價(jià)格昂貴和儲(chǔ)量有限等問(wèn)題。近些年來(lái),為了促進(jìn)燃料電池、金屬-空氣電池和ODC電解的發(fā)展,科研工作者就開(kāi)發(fā)低成本、高活性和長(zhǎng)久穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑(NPMCs)做出了諸多努力。鑒于鄰菲羅啉豐富的吡啶型氮及與亞鐵的絡(luò)合作用,本文首先以鄰菲羅啉為氮源,氧化處理的BP1000為碳源,醋酸亞鐵為制備過(guò)程的催化劑,通過(guò)先浸漬后熱解的方法,合成了一系列Fe與N摻雜的碳材料,記為Fe-N@C.對(duì)這一系列催化劑的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,它們都具有一定的ORR活性,但與Pt/C的ORR性能相比還存在一定的差距。Fe-N@C作為氧還原-析氧(ORR-OER)的雙效催化劑的研究中發(fā)現(xiàn),陽(yáng)極電流并非可持續(xù)的析氧電流,且導(dǎo)致ORR的起始電位和半波電位負(fù)移,XPS分析表明,在較高電位下,催化劑中有ORR活性的吡啶型氮極易于被破壞,所以它們不適宜作為氧還原-析氧(ORR-OER)的雙效催化劑。而后通過(guò)簡(jiǎn)單的直接熱解方法,分別合成了Mn、Fe、Co、Ni中的一種或多種元素修飾的氮摻雜碳材料。其中,Mn和Co的氧化物對(duì)ORR本身就具有一定的催化活性,熱解過(guò)程中Co和Fe還會(huì)和N相互作用形成金屬-吡啶型氮,Fe和Ni有助于熱解過(guò)程中碳元素的石墨化,以上這些都有利于ORR催化活性的提高。此外,本文還重點(diǎn)研究了熱解溫度對(duì)氮元素的摻雜形態(tài)和含量以及對(duì)碳材料的石墨化程度的影響。循環(huán)伏安(CV)和線性掃描伏安(LSV)測(cè)試表明,800℃下合成的四種金屬修飾的氮摻雜碳載非貴金屬催化劑,標(biāo)記為MFCN/NC-800具有最優(yōu)的ORR催化性能,其起始電位和半波電位分別比商業(yè)Pt/C高54mV和46 mV;旋轉(zhuǎn)環(huán)盤(pán)電極(RRDE)測(cè)試表明,MFCN/NC-800展示出對(duì)02典型的四電子還原,此過(guò)程產(chǎn)生的H2O2兒乎可以忽略不計(jì)；XRD、 XPS和HRTEM測(cè)試表明,優(yōu)良的電化學(xué)性能主要是得益于能單獨(dú)或協(xié)同催化ORR的吡啶型氮、石墨型碳、MnO和Fe-Co-Ni內(nèi)米粒子被成功地引入了高比表面積(1908 m2·g-1)的多孔復(fù)合催化劑中。此外,此催化劑應(yīng)用于Na2CO3電解時(shí)顯示出優(yōu)異的電催化活性和長(zhǎng)久的穩(wěn)定性,對(duì)應(yīng)于電流密度10mA·cm-2和100 mA cm-2時(shí)的槽電壓分別為0.86 V和1.45 V,而相同條件下常規(guī)析氫陰極(HEC)電解的槽電壓分別為1.90 V和2.52 V,說(shuō)明該催化劑能有效降低Na2CO3電解產(chǎn)生NaHCO3和NaOH的槽電壓。
【關(guān)鍵詞】：氮摻雜碳材料 非貴金屬 氧還原反應(yīng) 氧氣擴(kuò)散陰極 碳酸鈉電解
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 緒論13-23
• 1.1 氧還原催化劑的分類13-18
• 1.1.1 貴金屬催化劑14-16
• 1.1.2 過(guò)渡金屬催化劑16-17
• 1.1.3 非金屬催化劑17-18
• 1.2 氮摻雜碳材料的合成方法18-22
• 1.2.1 水熱合成法19
• 1.2.2 化學(xué)氣相沉積法19-20
• 1.2.3 高溫?zé)峤夥?/span>20-22
• 1.3 課題研究意義和研究?jī)?nèi)容22-23
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分23-31
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器23-25
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑23-24
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器24-25
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法25-31
• 2.2.1 BP1000的氧化處理25
• 2.2.2 氮摻雜碳載非貴金屬催化劑的制備25-27
• 2.2.3 催化劑的表征27
• 2.2.4 電化學(xué)測(cè)試27-29
• 2.2.5 氧氣擴(kuò)散陰極(ODC)和析氫陰極(HEC)電解Na_2CO_329-31
• 第三章 氮摻雜碳載非貴金屬催化劑的性能研究31-61
• 3.1 Fe-N@C的性能研究31-35
• 3.2 不同溫度下所得MFCN/NC催化劑的性能研究35-41
• 3.2.1 XRD分析35-36
• 3.2.2 XPS分析36-38
• 3.2.3 ORR性能研究38-41
• 3.3 M/NC催化劑的性能研究41-45
• 3.3.1 XRD分析41
• 3.3.2 XPS分析41-43
• 3.3.3 ORR性能研究43-45
• 3.4 M_1M_2/NC催化劑的性能研究45-50
• 3.4.1 XRD分析45-46
• 3.4.2 XPS分析46-47
• 3.4.3 ORR性能研究47-50
• 3.5 M_1M_2M_3/NC催化劑的性能研究50-54
• 3.5.1 XRD分析50
• 3.5.2 XPS分析50-52
• 3.5.3 ORR性能研究52-54
• 3.6 MFCN/NC-800的深入研究54-60
• 3.7 小結(jié)60-61
• 第四章 氮摻雜碳載非貴金屬催化劑在碳酸鹽/碳酸氫鹽電解中的應(yīng)用·61-71
• 4.1 氧氣擴(kuò)散陰極膜電解Na_2CO_3的意義61-62
• 4.2 膜電解Na_2CO_3的效果62-63
• 4.3 氧氣擴(kuò)散陰極在碳酸氫鹽電解中的應(yīng)用63-69
• 4.4 小結(jié)69-71
• 第五章 總結(jié)71-73
• 參考文獻(xiàn)73-79
• 致謝79-81
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文81-83
• 作者及導(dǎo)師簡(jiǎn)介83-84
• 北京化工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文答辯委員會(huì)決議書(shū)84-85

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本文編號(hào)：1066407