本文關(guān)鍵詞：鈷、氮摻雜多孔碳作為氧還原催化劑的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：燃料電池作為一種高效、環(huán)保的能量轉(zhuǎn)化裝置而備受關(guān)注。燃料電池陰極所用鉑基催化劑價格昂貴,限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此開發(fā)非貴金屬催化劑具有重要意義。本文開發(fā)了一種成本低廉、性能優(yōu)良的非貴金屬催化劑,探討了其催化機理,并組裝了燃料電池進行實證。本文以葡萄糖、尿素和硝酸鈷為前驅(qū)體,通過高溫?zé)崽幚?制備出一種含鈷、氮的碳材料,具有催化氧還原活性。研究表明,在催化劑前驅(qū)體中添加納米碳酸鈣,可一步制備得到多孔碳催化劑。該催化劑的多孔結(jié)構(gòu)顯著提高了氧還原反應(yīng)的極限電流密度。但是,納米碳酸鈣的加入導(dǎo)致了催化劑氮含量和氧氣起始還原電位的降低。采用兩步碳化過程中間洗除納米碳酸鈣的方法可以有效提高催化劑氮含量和氧氣的起始還原電位,同時進一步提高了氧還原反應(yīng)的極限電流密度。后續(xù)對比實驗證實了納米碳酸鈣對催化劑的作用,確認了該三元催化劑所含三元素的必要性。良好的多孔碳結(jié)構(gòu)、鈷的存在和較高的氮含量(特別是吡啶氮和石墨氮),協(xié)同提供了良好的催化活性。優(yōu)化熱處理溫度、升溫速率、納米碳酸鈣添加量等條件可以進一步提高催化劑的催化能力。旋轉(zhuǎn)圓盤電極測試表明,該催化劑在酸堿性條件下的極限電流密度都超過了10 wt%Pt/C催化劑,并且在酸堿性條件下該催化劑對直接4電子反應(yīng)都具有較高的選擇性。該催化劑的微結(jié)構(gòu)、表面成分及所含晶體性質(zhì)也通過電子顯微鏡、X射線光電子譜、X射線粉末衍射儀等分析測試手段得以研究和討論。該催化劑被成功應(yīng)用于直接硼氫化鈉燃料電池(DBFC)陰極,所組裝的電池在20℃下的最大輸出功率達到了80mW cm-2,超過了以10 wt% Pt/C為陰極催化劑的電池性能。對該催化劑進行球磨細化可以減小其粒徑,使燃料電池的最大輸出功率進一步提升至86.8mW cm-2。
【關(guān)鍵詞】：氧還原反應(yīng) 催化劑 燃料電池 多孔碳 納米碳酸鈣
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O643.36;TM911.4
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 1 緒論12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 氧還原反應(yīng)概述12-13
• 1.3 氧還原反應(yīng)催化劑13-15
• 1.3.1 鉑基催化劑13-14
• 1.3.2 非鉑基催化劑14-15
• 1.4 非貴金屬催化劑15-19
• 1.4.1 過渡金屬-氮-碳(M-N-C)三元催化劑15-18
• 1.4.2 氮修飾碳(N-C)催化劑18-19
• 1.4.3 其他原子摻雜碳催化劑19
• 1.5 多孔碳在氧還原催化劑中的應(yīng)用19-21
• 1.5.1 多孔碳載體的合成方法及在催化劑中的應(yīng)用19-20
• 1.5.2 納米碳酸鈣在合成多孔碳中的使用20-21
• 1.6 燃料電池概述21-24
• 1.6.1 燃料電池概況21
• 1.6.2 直接硼氫化鈉燃料電池21-24
• 1.7 本文的研究背景和研究內(nèi)容24-26
• 2 實驗方法26-32
• 2.1 實驗原料26-27
• 2.2 催化劑的合成27
• 2.2.1 無模板的Co-N-C催化劑的合成27
• 2.2.2 以納米碳酸鈣為模板的Co-N-C催化劑的合成27
• 2.2.3 以納米二氧化硅為模板的Co-N-PC催化劑的合成27
• 2.3 材料的表征27-28
• 2.3.1 X射線衍射(XRD)27-28
• 2.3.2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)28
• 2.3.3 X射線光電子能譜(XPS)28
• 2.3.4 比表面積測試(BET)28
• 2.3.5 熱重分析（TGA)28
• 2.4 材料的電化學(xué)測試手段及方法28-32
• 2.4.1 循環(huán)伏安測試28-29
• 2.4.2 旋轉(zhuǎn)圓盤電極測試29
• 2.4.3 硼氫化鈉燃料電池電極的制備29-30
• 2.4.4 硼氫化鈉燃料電池的裝配30
• 2.4.5 燃料電池的測試30-32
• 3 催化可行性及模板所起到的重要作用32-52
• 3.1 引言32
• 3.2 催化可行性32-36
• 3.3 納米CaCO_3模板對催化劑的作用36-48
• 3.3.1 模板的一般作用36-39
• 3.3.2 納米CaCO_3模板的特殊作用39-42
• 3.3.3 酸洗順序不同所起作用的機理探究42-48
• 3.4 催化劑所含要素的不可或缺性48-51
• 3.5 本章小結(jié)51-52
• 4 催化劑性能的優(yōu)化及討論52-69
• 4.1 引言52
• 4.2 加入CaCO_3模板量的選擇52-55
• 4.3 第一步加熱溫度的選擇55-59
• 4.4 升溫速率的選擇59-61
• 4.5 第二步加熱溫度的選擇61-63
• 4.6 催化劑的測試表征與討論63-67
• 4.6.1 進一步的性能測試63-65
• 4.6.2 表征與討論65-67
• 4.7 本章小結(jié)67-69
• 5 催化劑應(yīng)用于燃料電池的實證69-75
• 5.1 引言69
• 5.2 自制催化劑與鉑碳催化劑的對比69-70
• 5.3 對催化劑進行細化處理70-71
• 5.4 電解質(zhì)膜對電池性能的影響71-73
• 5.5 催化劑粘結(jié)劑對電池性能的影響73-74
• 5.6 本章小結(jié)74-75
• 6 結(jié)論75-77
• 6.1 結(jié)論75
• 6.2 主要創(chuàng)新成果75-76
• 6.3 存在的不足和展望76-77
• 參考文獻77-82
• 作者簡介及在學(xué)期間取得的科研成果82

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 陳延禧;聚合物電解質(zhì)燃料電池的研究進展[J];電源技術(shù);1996年01期

2 龍云飛;楊克迪;余興文;;葡萄糖尿素膠粘劑的合成研究[J];材料研究與應(yīng)用;2008年04期

  本文關(guān)鍵詞：鈷、氮摻雜多孔碳作為氧還原催化劑的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：422193