發(fā)布時(shí)間：2017-03-22 03:18

  本文關(guān)鍵詞：高溫?zé)峤釬e-g-C_3N_4@C作為燃料電池陰極氧還原非貴金屬催化劑的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：燃料電池陰極氧還原(ORR)動(dòng)力學(xué)過程緩慢，造成嚴(yán)重的陰極過電位，需要比陽極更多的Pt作為催化劑，但Pt價(jià)格昂貴儲(chǔ)量有限且易毒化，嚴(yán)重限制了燃料電池的商業(yè)化發(fā)展。因此，尋找廉價(jià)高效和高抗毒化能力的非貴金屬催化劑來替代Pt，從而推動(dòng)燃料電池的商業(yè)化發(fā)展顯得尤為重要。 本文通過以類石墨相氮化碳(g-C3N4)為氮源，以Fe鹽為金屬源，分別以超導(dǎo)電碳黑KetjenBlack EC-600JD(簡稱KB)為單一載體，以及碳黑/石墨烯(KB/rGO)為復(fù)合載體，通過高溫?zé)峤獾姆椒ㄖ苽淞嗽谒嵝泽w系中具有高ORR活性和穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑，根據(jù)載體不同分別將催化劑標(biāo)記為p-Fe-g-C3N4@KB和p-Fe-g-C3N4@KB/rGO。本文考察了熱解溫度、Fe摻雜量、復(fù)合碳載體比例等因素對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)和ORR性能的影響。利用旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)和旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)，采用循環(huán)伏安(CV)、加速衰減實(shí)驗(yàn)(ADT)方法測試催化劑的氧還原催化活性、H2O2產(chǎn)率和穩(wěn)定性，通過EDS、XRD、IR、TG、XPS、BET、SEM、TEM、STEM等手段對(duì)催化劑的組成、物相結(jié)構(gòu)、表面形貌等、比表面積以及孔徑分布等進(jìn)行表征，分析影響催化劑ORR性能的主要因素，并進(jìn)一步探索催化劑可能的活性中心。 ORR性能測試結(jié)果表明：若以KB為單一碳載體，，當(dāng)熱解溫度為750℃、Fe摻雜量為10%時(shí)，催化劑的ORR性能達(dá)到最優(yōu)，質(zhì)量動(dòng)力電流為7.2mAmg-1@0.75V，基本接近四電子過程，且穩(wěn)定性高于商業(yè)Pt/C；當(dāng)以KB/rGO為復(fù)合載體時(shí)，催化劑的活性和穩(wěn)定性都得到極大提高，質(zhì)量動(dòng)力電流高達(dá)18.5mA mg-1@0.75V，是p-Fe-g-C3N4@KB的2.5倍，ADT測試4000圈后其半波電位才負(fù)移了35mV，而p-Fe-g-C3N4@KB則負(fù)移了102mV，即p-Fe-g-C3N4@KB/rG復(fù)合載體催化劑的ORR活性和穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一載體的p-Fe-g-C3N4@KB催化劑。 物理表征結(jié)果表明：(1)催化劑的比表面積、N摻雜類型、金屬顆粒的粒徑、分布以及催化劑的納米結(jié)構(gòu)都是影響催化劑ORR性能的關(guān)鍵因素；(2)N摻雜金屬顆粒以及N摻雜碳載體都是ORR活性中心；(3)當(dāng)以KB/rGO為復(fù)合載體時(shí)，催化劑在熱解過程中會(huì)在石墨烯片層間形成碳納米管封裝金屬顆粒的納米結(jié)構(gòu)，以及少層石墨烯包裹金屬顆粒的核殼結(jié)構(gòu)，這些原位形成的納米結(jié)構(gòu)一方面可以防止石墨烯片層的堆疊，更好地利用石墨烯高比表面積高導(dǎo)電性的優(yōu)點(diǎn)，從而提高催化劑的ORR活性，另一方面可以很好地保護(hù)金屬顆粒不受酸液的腐蝕，從而提高催化劑的穩(wěn)定性；(4)O、S的共摻雜可起到協(xié)同作用進(jìn)一步提高催化劑的ORR活性。
【關(guān)鍵詞】：燃料電池 氧還原 非貴金屬催化劑 類石墨相氮化碳 復(fù)合碳載體 原位形成
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM911.4;O643.36
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-24
• 1.1 研究背景10
• 1.2 燃料電池10-14
• 1.2.1 燃料電池概述10-11
• 1.2.2 燃料電池結(jié)構(gòu)和工作原理11-12
• 1.2.3 燃料電池陰極氧還原過程12-13
• 1.2.4 氧氣還原的機(jī)理13-14
• 1.3 燃料電池陰極氧還原(ORR)催化劑14-18
• 1.3.1 貴金屬 ORR 催化劑14-15
• 1.3.2 非金屬 ORR 催化劑15-16
• 1.3.3 非貴金屬 ORR 催化劑的研究進(jìn)展16-18
• 1.4 類石墨相氮化碳(g-C_3N_4)18-22
• 1.4.1 g-C_3N_4的結(jié)構(gòu)、制備和性質(zhì)19-21
• 1.4.2 類石墨相氮化碳在燃料電池氧還原中的應(yīng)用21-22
• 1.5 本課題的提出22-24
• 1.5.1 依據(jù)和意義22-23
• 1.5.2 研究內(nèi)容23-24
• 第2章 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與研究方法24-38
• 2.1 主要化學(xué)試劑和測試儀器24-26
• 2.2 催化劑的制備26-29
• 2.2.1 氧化石墨烯的制備26-27
• 2.2.2 碳黑(KB)的前處理27-28
• 2.2.3 前驅(qū)體的混合28
• 2.2.4 高溫?zé)峤膺^程28-29
• 2.3 催化劑的物理表征技術(shù)和儀器29-33
• 2.3.1 X 射線衍射分析(XRD)29
• 2.3.2 X 射線光電子能譜(XPS)29-30
• 2.3.3 掃描電子顯微鏡(SEM)及電子能譜(EDS)30
• 2.3.4 透射電子顯微鏡(TEM)30-31
• 2.3.5 熱重-差熱分析(TG-MS)31
• 2.3.6 N_2等溫吸脫附(BET)31-32
• 2.3.7 傅立葉變換紅外光譜(FTIR)32-33
• 2.4 催化劑的 ORR 性能測試技術(shù)、儀器和方法33-38
• 2.4.1 可逆氫電極和氧還原電解池33-34
• 2.4.2 循環(huán)伏安技術(shù)(CV)34
• 2.4.3 工作電極的制備34-35
• 2.4.4 催化劑 ORR 活性的測試—旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)35
• 2.4.5 催化劑 ORR 選擇性的測試—旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)35-36
• 2.4.6 催化劑 ORR 耐久性測試—加速衰減測試(ADT)36-38
• 第3章 熱解碳黑負(fù)載 Fe-g-C_3N_4作為 ORR 催化劑38-60
• 3.1 p-Fe-g-C_3N_4@KB 催化劑的制備38-39
• 3.2 p-Fe-g-C_3N_4@KB 催化劑的物理表征39-50
• 3.2.1 催化劑熱解過程的表征與分析39-42
• 3.2.2 熱解理溫度對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)的影響42-47
• 3.2.3 Fe 摻雜量對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)的影響47-49
• 3.2.4 小結(jié)49-50
• 3.3 p-Fe-g-C_3N_4@KB 催化劑的 ORR 性能測試50-55
• 3.3.1 催化劑負(fù)載量對(duì) ORR 活性和選擇性的影響50
• 3.3.2 熱解溫度對(duì)催化劑 ORR 活性和選擇性的影響50-52
• 3.3.3 Fe 摻雜量對(duì)催化劑 ORR 活性和選擇性的影響52-53
• 3.3.4 催化劑的耐久性測試53-55
• 3.3.5 小結(jié)55
• 3.4 催化劑活性中心探索55-57
• 3.5 本章小結(jié)57-60
• 第4章 熱解碳黑/石墨烯復(fù)合碳材料負(fù)載的 Fe-g-C_3N_4作為 ORR 催化劑60-84
• 4.1 還原氧化石墨烯(rGO)的制備與表征60-62
• 4.2 p-Fe-g-C_3N_4@KB/rGO 催化劑的制備62-63
• 4.3 p-Fe-g-C_3N_4@KB/rGO 催化劑的物理表征63-75
• 4.3.1 碳載體對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)的影響63-69
• 4.3.2 Fe 摻雜量對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)的影響69-70
• 4.3.3 熱處理溫度對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)的影響70-74
• 4.3.4 小結(jié)74-75
• 4.4 p-Fe-g-C_3N_4@KB/rGO 催化劑的 ORR 性能測試75-80
• 4.4.1 碳載體對(duì)催化劑 ORR 活性和選擇性的影響75-77
• 4.4.2 Fe 摻雜量對(duì)催化劑 ORR 活性和選擇性的影響77
• 4.4.3 不同熱處理溫度對(duì)催化劑 ORR 活性和選擇性的影響77-78
• 4.4.4 催化劑的耐久性測試78-80
• 4.4.5 小結(jié)80
• 4.5 催化劑活性中心探索80-83
• 4.6 本章小結(jié)83-84
• 第5章 總結(jié)與展望84-86
• 5.1 總結(jié)84-85
• 5.2 展望85-86
• 參考文獻(xiàn)86-96
• 致謝96-98
• 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和研究成果98

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李超;楊書廷;謝冰;徐甲強(qiáng);曹傳寶;朱鶴孫;;氮化碳的合成與性能研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2005年10期

2 唐致遠(yuǎn),宋世棟,劉建華;質(zhì)子交換膜燃料電池電極催化劑的研究進(jìn)展[J];電源技術(shù);2003年01期

3 孫大強(qiáng),毛宗強(qiáng);質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件研究[J];電源技術(shù);2003年02期

4 鄭重德,王豐,胡濤,王守緒,何為,王偕恕,王豪才;質(zhì)子交換膜燃料電池研究進(jìn)展[J];電源技術(shù);1998年03期

5 衣寶廉;燃料電池現(xiàn)狀與未來[J];電源技術(shù);1998年05期

6 孟雅麗;陳丹;宋文喬;辛鋼;;類石墨結(jié)構(gòu)氮化碳的合成及其應(yīng)用[J];廣州化工;2010年08期

7 王濤;司玉軍;;層狀石墨相g-C_3N_4氮化碳的簡易制備和表征[J];材料導(dǎo)報(bào);2012年S1期

8 李述中;李超;徐甲強(qiáng);孫雨安;楊書廷;曹傳寶;朱鶴孫;;氮化碳材料的研究進(jìn)展[J];河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2006年01期

9 ;Carbon-nitrogen/graphene composite as metal-free electrocatalyst for the oxygen reduction reaction[J];Chinese Science Bulletin;2011年33期

10 張麗彬;陳曉寧;吳文健;高洪濤;;質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展前景探討[J];農(nóng)業(yè)工程技術(shù)(新能源產(chǎn)業(yè));2011年04期

  本文關(guān)鍵詞：高溫?zé)峤釬e-g-C_3N_4@C作為燃料電池陰極氧還原非貴金屬催化劑的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：260793