氨基酸輔助合成高性能燃料電池催化劑
發(fā)布時間：2021-08-20 13:01
對化石燃料的依賴已經給環(huán)境造成了嚴重影響,因此需要發(fā)展一種環(huán)境友好的新技術,對能源進行清潔和高效地存儲與轉換。因為燃料電池可以在低溫下運行、能量轉化效率高并且碳排放量低,被認為是可持續(xù)發(fā)展的清潔能源轉換技術。然而,由于缺乏性價比高、活性優(yōu)且穩(wěn)定性強的催化劑,燃料電池的發(fā)展受到了嚴重阻礙。隨著合成化學、電化學以及計算化學等學科的發(fā)展,人們對催化劑的制備、催化機理和結構-性質之間關系的理解也逐漸深入。氨基酸分子含豐富的官能團（如-NH2、-SH、-COOH和-OH等）,具有較強的與金屬離子配位的能力,其與金屬離子生成的配合物可以顯著調節(jié)反應速率,使得通過控制反應動力學調控納米晶的結構和形貌成為可能;另一方面,N等雜原子的引入也可以調控催化劑活性中心的電子狀態(tài)或碳載體材料的本征活性。本論文主要探討了谷氨酸（Glutamic acid）、精氨酸（Arginine）、脯氨酸（Proline）以及組氨酸（Histidine）四類氨基酸分子在可控合成電催化劑中的應用,并在此基礎上進一步研究了催化劑的結構、形貌和組成對其電催化性能的影響。具體如下:1.以Glutamic acid...
【文章來源】：南京師范大學江蘇省 211工程院校
【文章頁數】：106 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
（a）燃燒化石燃料產生的CO2等廢棄物；（b）人們被空氣污染所困擾；（c）PEMFCs示意圖；（d）燃料電池驅動的電動汽車
第1章緒論3圖1.2燃料電池汽車的成本演進與預測[2]。柱狀圖顯示的是PEMFCs的成本（美元），柱狀圖上顯示的紅色標注為燃料電池汽車的總成本。插圖：基于每年生產50萬個燃料電池系統(tǒng)的燃料電池汽車的成本分配。BOP：配套設施；GDL：氣體擴散層；FCEV：燃料電池電動汽車；MEA：膜電極組件另一方面，現有PEMFCs的實際工作壽命最長只有1900小時，而美國能源部要求商業(yè)化移動PEMFCs的使用壽命要不低于5000小時的循環(huán)工作時間。造成PEMFCs工作壽命短的因素有多種，其中催化劑的耐久性是影響其壽命的最為關鍵的因素之一。催化劑的耐久性主要受到兩個方面影響：（1）催化劑在長期使用過程中，發(fā)生的溶解、遷移和聚集會導致金屬催化劑的結構和形貌發(fā)生變化，催化劑性能降低；（2）貴金屬催化劑非常容易被陽極氧化過程中的中間產物和空氣中的毒化物種（如SOx和NOx等）毒化，導致催化活性降低。因此，研發(fā)成本低、性能優(yōu)且穩(wěn)定性強的催化劑是推動PEMFCs大規(guī)模商業(yè)化的關鍵。1.2燃料電池催化劑對燃料電池而言，其燃料和氧化劑是在電催化劑的輔助下發(fā)生氧化和還原反應來產生電力。電催化劑的作用是加速電極和電解質界面上的電催化反應或降低反應的活化能，從而使得電催化反應更容易進行。因此，優(yōu)化催化劑的活性以及提升催化劑的穩(wěn)定性對燃料電池的發(fā)展具有重要的意義。通常催化劑的活性可以從兩方面進行改善：（1）增加催化劑中可接觸的活性位點數量（通過負載或者改進催化劑結構使其暴露更多的活性位點）；（2）增加
第1章緒論4每個活性位點的本征活性。這兩方面并不相互排斥，理想的情況下可以同時改進這兩點以最大程度增強催化劑的活性。與此同時，在不影響其他重要過程（如電荷和質量傳輸）的前提下，電極上可以負載的催化劑的數量是有物理限制的，如圖1.3的插圖顯示了催化劑負載量過高時的平臺效應。值得注意的是，增加活性位點的內在活性將直接導致電極活性的增加，從而減輕催化劑負載量過高時可能引起的傳輸限制。即通過提升催化劑的內在活性，同時減輕催化劑的負載量，可以達到提升催化劑活性的同時節(jié)約催化劑成本的目的。在電催化過程中，催化劑自身的溶解和奧斯特瓦爾德（Ostwald）熟化、載體的腐蝕以及氧擴散的阻力等均是影響催化劑穩(wěn)定性的關鍵因素。因此，可以通過合成組分、形貌和結構可控的新型催化劑來調控其對催化反應的活性和穩(wěn)定性。圖1.3催化劑研發(fā)策略示意圖[3]按照元素在地殼中的含量，電催化劑可分為貴金屬納米材料和非貴金屬納米材料。貴金屬元素包括釕（Ru）、銠（Rh）、Pt、鈀（Pd）、鋨（Os）、銥（Ir）、金（Au）和銀（Ag）。貴金屬的化學性質比較穩(wěn)定，且對大部分催化反應有良好的催化活性。但是貴金屬催化劑的成本過高，限制了其大規(guī)模的使用。將貴金屬與第二元素形成組分可調的合金，不僅可以利用不同組分間的電子耦合和應力作用來顯著提高貴金屬合金納米催化劑的本征催化活性，還可以降低催化劑的成本。除了對催化劑的組分進行調控之外，調控催化劑的結構使其暴露出更多的活性位點也有利于其催化性能的顯著提升。另一種由內層材料（核）和外層材料（殼）
【參考文獻】：
期刊論文
[1]電催化劑設計中表面和界面工程的最新進展（英文）[J]. 王成名,柏嵩,熊宇杰. 催化學報. 2015(09)
本文編號：3353545
【文章來源】：南京師范大學江蘇省 211工程院校
【文章頁數】：106 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
（a）燃燒化石燃料產生的CO2等廢棄物；（b）人們被空氣污染所困擾；（c）PEMFCs示意圖；（d）燃料電池驅動的電動汽車
第1章緒論3圖1.2燃料電池汽車的成本演進與預測[2]。柱狀圖顯示的是PEMFCs的成本（美元），柱狀圖上顯示的紅色標注為燃料電池汽車的總成本。插圖：基于每年生產50萬個燃料電池系統(tǒng)的燃料電池汽車的成本分配。BOP：配套設施；GDL：氣體擴散層；FCEV：燃料電池電動汽車；MEA：膜電極組件另一方面，現有PEMFCs的實際工作壽命最長只有1900小時，而美國能源部要求商業(yè)化移動PEMFCs的使用壽命要不低于5000小時的循環(huán)工作時間。造成PEMFCs工作壽命短的因素有多種，其中催化劑的耐久性是影響其壽命的最為關鍵的因素之一。催化劑的耐久性主要受到兩個方面影響：（1）催化劑在長期使用過程中，發(fā)生的溶解、遷移和聚集會導致金屬催化劑的結構和形貌發(fā)生變化，催化劑性能降低；（2）貴金屬催化劑非常容易被陽極氧化過程中的中間產物和空氣中的毒化物種（如SOx和NOx等）毒化，導致催化活性降低。因此，研發(fā)成本低、性能優(yōu)且穩(wěn)定性強的催化劑是推動PEMFCs大規(guī)模商業(yè)化的關鍵。1.2燃料電池催化劑對燃料電池而言，其燃料和氧化劑是在電催化劑的輔助下發(fā)生氧化和還原反應來產生電力。電催化劑的作用是加速電極和電解質界面上的電催化反應或降低反應的活化能，從而使得電催化反應更容易進行。因此，優(yōu)化催化劑的活性以及提升催化劑的穩(wěn)定性對燃料電池的發(fā)展具有重要的意義。通常催化劑的活性可以從兩方面進行改善：（1）增加催化劑中可接觸的活性位點數量（通過負載或者改進催化劑結構使其暴露更多的活性位點）；（2）增加
第1章緒論4每個活性位點的本征活性。這兩方面并不相互排斥，理想的情況下可以同時改進這兩點以最大程度增強催化劑的活性。與此同時，在不影響其他重要過程（如電荷和質量傳輸）的前提下，電極上可以負載的催化劑的數量是有物理限制的，如圖1.3的插圖顯示了催化劑負載量過高時的平臺效應。值得注意的是，增加活性位點的內在活性將直接導致電極活性的增加，從而減輕催化劑負載量過高時可能引起的傳輸限制。即通過提升催化劑的內在活性，同時減輕催化劑的負載量，可以達到提升催化劑活性的同時節(jié)約催化劑成本的目的。在電催化過程中，催化劑自身的溶解和奧斯特瓦爾德（Ostwald）熟化、載體的腐蝕以及氧擴散的阻力等均是影響催化劑穩(wěn)定性的關鍵因素。因此，可以通過合成組分、形貌和結構可控的新型催化劑來調控其對催化反應的活性和穩(wěn)定性。圖1.3催化劑研發(fā)策略示意圖[3]按照元素在地殼中的含量，電催化劑可分為貴金屬納米材料和非貴金屬納米材料。貴金屬元素包括釕（Ru）、銠（Rh）、Pt、鈀（Pd）、鋨（Os）、銥（Ir）、金（Au）和銀（Ag）。貴金屬的化學性質比較穩(wěn)定，且對大部分催化反應有良好的催化活性。但是貴金屬催化劑的成本過高，限制了其大規(guī)模的使用。將貴金屬與第二元素形成組分可調的合金，不僅可以利用不同組分間的電子耦合和應力作用來顯著提高貴金屬合金納米催化劑的本征催化活性，還可以降低催化劑的成本。除了對催化劑的組分進行調控之外，調控催化劑的結構使其暴露出更多的活性位點也有利于其催化性能的顯著提升。另一種由內層材料（核）和外層材料（殼）
【參考文獻】：
期刊論文
[1]電催化劑設計中表面和界面工程的最新進展（英文）[J]. 王成名,柏嵩,熊宇杰. 催化學報. 2015(09)
本文編號：3353545
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