本文關(guān)鍵詞：碳氮納米材料的制備及其在氧還原反應(yīng)中的應(yīng)用

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【摘要】：當(dāng)前,能源的短缺及其大量消耗、環(huán)境的嚴(yán)重污染和國(guó)家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展所帶來(lái)的巨大壓力,促使人們不斷地開(kāi)發(fā)新型的可再生能源。燃料電池正是一種具有較高能源利用率而又不污染環(huán)境的新型綠色能源。然而,其關(guān)鍵的陰極氧還原反應(yīng)(ORR)動(dòng)力學(xué)緩慢,且需要儲(chǔ)量稀缺和成本高昂的貴金屬Pt及其合金作為催化劑,這大大阻礙了燃料電池的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用。因此,本文選擇陰極氧還原電催化劑為研究對(duì)象,從催化劑的催化活性、穩(wěn)定性和制備成本三方面考慮,開(kāi)發(fā)新型的高性能電催化劑,主要研究以下內(nèi)容:(1)本文以氮化鈦(TiN)為助劑,與炭黑(XC-72R)形成復(fù)合性載體,通過(guò)水熱和氮化處理相結(jié)合的方法制備了Pd-TiN/C納米電催化劑。通過(guò)X-射線衍射儀(XRD),透射電鏡(TEM)和X-射線光電子能譜分析(XPS)等表征手段,對(duì)催化劑的形貌結(jié)構(gòu)和組成元素進(jìn)行表征。結(jié)果表明:TiN/C納米復(fù)合載體更有利于Pd金屬顆粒的均勻分散。通過(guò)對(duì)其電化學(xué)性能測(cè)試,Pd-TiN/C催化劑相比于Pd/C擁有更高的ORR催化活性和穩(wěn)定性,這主要是因?yàn)門iN能夠與表面負(fù)載的Pd顆粒發(fā)生電子作用,改變Pd原子表面電子結(jié)構(gòu),同時(shí)金屬納米顆粒與催化劑載體間的強(qiáng)相互作用,產(chǎn)生協(xié)同催化效應(yīng),降低Pd的溶解和團(tuán)聚,提高了其在酸性介質(zhì)中的ORR催化效果。(2)本文選取類石墨相氮化碳(g-C_3N_4)、醋酸鈷(Co(OAc)2·4H2O)和單壁碳納米角(SWCNHs)為氮源、金屬源和催化劑載體,通過(guò)高溫?zé)峤獾姆椒ê铣?M-Nx/C)非貴金屬氧還原催化劑。制備的Co-g-C_3N_4/SWCNHs電催化劑,通過(guò)X-射線衍射儀(XRD),拉曼光譜(Raman),透射電鏡(TEM)和X-射線光電子能譜分析(XPS)等手段對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步表征。其結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)高溫處理后,SWCNHs獨(dú)特“大麗花”結(jié)構(gòu)保存完好,且活性物種能夠在載體上均勻分散,相應(yīng)的元素映射也證明了Co、N兩種元素是均勻分布于載體之上。和Co-g-C_3N_4/C相比,Co-g-C_3N_4/SWCNHs催化劑對(duì)陰極ORR的催化活性顯著提高,經(jīng)過(guò)1200圈CV的穩(wěn)定性測(cè)試,Co-g-C_3N_4/SWCNHs催化劑的電流密度僅下降了19%。其較高ORR催化活性主要?dú)w因于:催化劑中含有更多穩(wěn)定且高分散的Co-Nx活性位點(diǎn)和較高比例的吡啶氮。同時(shí)Co-g-C_3N_4和SWCNHs的相互協(xié)同作用,提高了催化劑在堿性電解液中的穩(wěn)定性。(3)本文以四氯化碳(CCl_4)和乙二胺(EDA)為碳源和氮源,分子篩(SBA-15)為模板劑,制備介孔碳氮材料(MCN)作為載體,負(fù)載金屬Ag制備Ag/MCN電催化劑。通過(guò)X-射線衍射儀(XRD),透射電鏡(TEM)和氮吸附/解析分析儀(BET)表征手段,證明了MCN介孔結(jié)構(gòu)的生成,隨后負(fù)載金屬Ag,其結(jié)構(gòu)仍然保存完好。通過(guò)電化學(xué)測(cè)試,我們發(fā)現(xiàn)Ag(20%)/MCN電催化劑對(duì)ORR的催化活性和穩(wěn)定性明顯高于Ag(20%)/C,這主要是因?yàn)檩^大比表面積、均勻孔道結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性良好的MCN作為載體能夠均勻分散Ag活性位,增加活性位點(diǎn)的數(shù)量,且介孔結(jié)構(gòu)有利于質(zhì)量的傳遞、分子的擴(kuò)散及反應(yīng)過(guò)程中電子的轉(zhuǎn)移,進(jìn)而提高ORR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。和Pt(20%)/C催化劑相比,Ag(20%)/MCN電催化劑的生產(chǎn)成本更低,制備方法簡(jiǎn)單,是一個(gè)很好的陰極催化劑,可應(yīng)用于燃料電池。但Ag(20%)/MCN與MCN相比較,ORR催化活性并沒(méi)有達(dá)到更為明顯的提高,這可能是因?yàn)榻饘貯g本身活性不高且Ag負(fù)載掩蓋了MCN部分活性位,且可能造成部分孔道的堵塞,阻礙了活性物質(zhì)和電子的傳遞。
【學(xué)位授予單位】：石河子大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36

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1 王麗娟;在石墨及聚酞菁化合物電極上氧還原的電催化[J];催化學(xué)報(bào);1988年01期

2 黃幼菊;李偉善;黃青丹;李偉;張慶龍;蔣臘生;;氫鉬青銅對(duì)鉑催化氧還原反應(yīng)的促進(jìn)作用[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報(bào);2007年05期

3 李之樂(lè);曾為民;馬玉錄;;聚苯胺載鉑鈀電極的制備及氧還原催化性能研究[J];華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年04期

4 李萍;李升憲;胡曉宏;王會(huì)勤;;球磨方法對(duì)氧還原催化劑性能的影響[J];電池;2006年03期

5 位辰先,田建華,梁寶臣,劉邦衛(wèi);制備條件對(duì)卟啉鈷氧還原催化性能的影響[J];天津理工學(xué)院學(xué)報(bào);2004年03期

6 孫曉然;李光躍;夏定國(guó);張立美;李釩;;均苯四甲酰亞胺橋聯(lián)的聚酞菁亞鐵的氧還原反應(yīng)(英文)[J];物理化學(xué)學(xué)報(bào);2013年07期

7 左小剛;;硫酸鹽還原菌對(duì)陰極氧還原反應(yīng)的影響[J];新疆有色金屬;2013年05期

8 張麗娟,夏定國(guó),王振堯,袁嶸,吳自玉;鉑鉍金屬間化合物催化劑的氧還原與抗甲醇氧化性能[J];物理化學(xué)學(xué)報(bào);2005年03期

9 李英霞;陳章霖;羅瑞賢;陳靄t，

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