本文關(guān)鍵詞：石墨烯負(fù)載非貴金屬錳催化劑的制備與ORR性能研究

  更多相關(guān)文章： 燃料電池 氧還原催化劑 二氧化錳 四氧化三錳 石墨烯

【摘要】：近些年來,隨著人口的日趨增多和工業(yè)化經(jīng)濟(jì)的加速進(jìn)程,對化石能源的需求不斷上漲,但化石能源屬于不可再生性的能源,終究有一天會(huì)被人們消耗殆盡。因此,我們迫切希望找到可以取代它的新型、環(huán)境友好可再生的新能源,以實(shí)現(xiàn)資源的長期發(fā)展。燃料電池(Fuel Cells)、鋰離子電池(Lithiumion Batter)、太陽能電池(Solar Cells)、金屬-空氣電池(Metal air Cells)和超級電容器(Supercapacitor)等電化學(xué)能源設(shè)備目前正受到人們廣泛的關(guān)注。燃料電池(Fuel Cell)具有很多優(yōu)點(diǎn)如能量密度較高、污染較小、使用壽命較長、操作很方便、可連續(xù)工作等,因此被認(rèn)為是未來便攜式電子產(chǎn)品的替代能源之一。然而氧氣還原(Oxygen Reduction Reaction,ORR)催化劑嚴(yán)重限制了燃料電池的發(fā)展,所以燃料電池中的氧還原催化劑在提升其電池性能方面起著至關(guān)重要的作用。含鉑的電催化劑在氧還原反應(yīng)中是催化性能最優(yōu)秀的催化劑之一,然而它也有很多局限性如成本很高、循環(huán)穩(wěn)定性不好、電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)緩慢和自然存儲(chǔ)量少等,這些局限性制約了它作為燃料電池催化劑的商業(yè)化的發(fā)展過程。因此,廉價(jià)、環(huán)保、易于商業(yè)化的催化劑材料越來越成為燃料電池研究的重要內(nèi)容之一。盡管關(guān)于氧還原催化劑的研究由來已久,但是在如何降低催化劑成本的前提下提高氧還原催化劑的活性和循環(huán)穩(wěn)定性仍然存在很多的挑戰(zhàn)。本文在總結(jié)以往氧還原催化的研究基礎(chǔ)上,開展了石墨烯基非貴金屬錳催化劑的制備及其在氧還原性能方面的研究:1、采用簡單便捷的水熱方法制備了MnO_2/rGN復(fù)合型催化材料。通過對MnO_2/rGN復(fù)合型催化劑進(jìn)行電化學(xué)測試,結(jié)果表明:該催化劑具有優(yōu)秀的氧還原催化活性:不僅具有可以跟商業(yè)催化劑相媲美的起始電位和極限電流密度,而且擁有很好的循環(huán)穩(wěn)定性和較高的甲醇容納量。此外,該催化劑在催化過程中遵循“四電子反應(yīng)途徑”,保障了它的催化效率。通過XRD、XPS、SEM和TEM等表征分析,認(rèn)為:MnO_2/rGN復(fù)合催化劑材料是由MnO_2納米棒與薄層狀的石墨烯組成的。其中,石墨烯的主要作用是提升其電導(dǎo)率,減小內(nèi)阻;二氧化錳(MnO_2)納米棒負(fù)載于石墨烯薄層上,它的作用是在電極表面快速的吸附氧并且催化其發(fā)生氧還原反應(yīng)。二氧化錳擁中離子Mn4+可以提供正電荷來吸脫附氧并催化還原,石墨烯具有高的電導(dǎo)率、好的熱穩(wěn)定性能和大的比表面積,二者合成的復(fù)合催化劑具有優(yōu)勢互補(bǔ)的特性。與商業(yè)Pt/C催化劑相比,MnO_2/rGN復(fù)合材料催化劑具有較為優(yōu)越的電催化活性。2、采用回流的方法,以四水合氯化錳為錳源,以石墨烯為載體,制備了Mn_3O_4/rGO復(fù)合型催化劑。該催化劑經(jīng)過電化學(xué)測試,也表現(xiàn)出良好的氧還原催化性能:起始電位約為-0.12 V(vs.SCE),極限電流約為4 mA/cm2,這與商業(yè)催化劑比較接近。此外還具有比較好的甲醇容納性和較好的循環(huán)穩(wěn)定性,催化過程也遵循“四電子反應(yīng)途徑”。通過一系列的表征和分析,認(rèn)為該催化劑能夠表現(xiàn)出如此優(yōu)秀的催化活性主要有三個(gè)因素:導(dǎo)電性非常高的石墨烯做載體;Mn_3O_4作為催化氧還原反應(yīng)的主要活性物質(zhì)(四氧化三錳可以使中間產(chǎn)物過氧化氫加速分解);二者之間的協(xié)同作用進(jìn)一步提升了電催化活性。3、采用微波輔助的方法,制備了復(fù)合催化劑MG-15(Mn_3O_4/rGO),電化學(xué)測試結(jié)果顯示出良好的氧還原催化性能:具有比較正的起始電位,具有比較大的極限電流密度,具有防止甲醇毒化性能,而且具有比較好的循環(huán)穩(wěn)定性。通過表征分析,可知該復(fù)合催化劑中Mn_3O_4以納米顆粒的方式均勻分布在石墨烯薄層上,形成夾層式結(jié)構(gòu)。而這種結(jié)構(gòu)的形成,一方面可以有效防止石墨烯團(tuán)聚,另一方面也能夠促進(jìn)Mn_3O_4的更高效利用。
【關(guān)鍵詞】：燃料電池 氧還原催化劑 二氧化錳 四氧化三錳 石墨烯
【學(xué)位授予單位】：新疆大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36
【目錄】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 第一章 緒論8-19
• 1.1 燃料電池簡介9-12
• 1.1.1 燃料電池概述9
• 1.1.2 燃料電池分類9-12
• 1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）12-13
• 1.2.1 質(zhì)子交換膜型燃料電池的工作機(jī)理12-13
• 1.2.2 質(zhì)子交換膜型燃料電池的現(xiàn)實(shí)發(fā)展?fàn)顩r13
• 1.3 質(zhì)子燃料電池的催化劑的特點(diǎn)及氧還原催化機(jī)理13-16
• 1.3.1 質(zhì)子交換膜型燃料電池ORR催化劑13-14
• 1.3.2 氧還原催化反應(yīng)的機(jī)理14-16
• 1.4 本論文的研究內(nèi)容及意義16-19
• 1.4.1 研究意義16-17
• 1.4.2 研究內(nèi)容17-19
• 第二章 實(shí)驗(yàn)所需的試劑、儀 器以及測試手段19-26
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑、儀器19-21
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器19
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑19-21
• 2.2 催化劑的物理表征及實(shí)驗(yàn)設(shè)備21-22
• 2.2.1 X-射線粉末衍射（XRD）21
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）21
• 2.2.3 透射電子顯微鏡（TEM）21-22
• 2.2.4 拉曼光譜（Raman spectrum）22
• 2.2.5 X-射線光電子能譜（XPS）22
• 2.3 催化劑的電化學(xué)性能測試22-26
• 2.3.1 玻碳電極預(yù)處理22-23
• 2.3.2 工作電極制備23
• 2.3.3 三電極裝置23-24
• 2.3.4 電化學(xué)測試24-26
• 第三章 二氧化錳/氮雜石墨烯復(fù)合催化劑材料的制備及氧還原電催化性能研究26-36
• 3.1 引言26-27
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分27-28
• 3.2.1 儀器和試劑27
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)方法27-28
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論28-36
• 3.3.1 催化劑的結(jié)構(gòu)表征28-32
• 3.3.2 催化劑電學(xué)性能表征32-36
• 第四章 四氧化三錳和石墨烯復(fù)合材料催化劑的制備及氧還原電催化性能研究36-47
• 4.1 引言36
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分36-38
• 4.2.1 儀器和試劑36-37
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)方法37-38
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論38-46
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)條件的探究38-40
• 4.3.2 催化劑的結(jié)構(gòu)與形貌表征40-43
• 4.3.3 電化學(xué)性能表征43-46
• 4.4 本章小結(jié)46-47
• 第五章 微波輔助方法制備四氧化三錳和石墨烯復(fù)合材料的催化劑及其氧還原電催化性能研究47-57
• 5.1 引言47
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分47-49
• 5.2.1 儀器和試劑47-48
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容48-49
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論49-56
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)條件的探究49
• 5.3.2 物理表征49-52
• 5.3.3 電化學(xué)表征52-56
• 5.4 本章小結(jié)56-57
• 全文總結(jié)57-59
• 參考文獻(xiàn)59-69
• 附錄1 碩士期間發(fā)表的論文69-70
• 附錄2 致謝70-71

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 曾奕昌;劉豐烈;;鈷催化劑制造過程中矽酸鈷的生成及其影響[J];科學(xué)通報(bào);1955年10期

2 ;催化劑性能測試(一)——催化劑強(qiáng)度測定儀[J];上海化工;1977年04期

3 楊可欽;;高鉬鎳和鉬鎳磷催化劑的催化性能對比[J];石油煉制與化工;1982年11期

4 厲杜生;我國硫酸生產(chǎn)用釩催化劑的早期研制工作[J];硫酸工業(yè);1984年02期

5 金榮達(dá);;Z_(403H)型輕油轉(zhuǎn)化催化劑性能的研究[J];遼寧化工;1988年05期

6 錢水林;;國內(nèi)外變換催化劑的發(fā)展概況[J];小氮肥設(shè)計(jì)技術(shù);1989年04期

7 縱秋云,李欣,郭建學(xué),張新堂,蘇旭;鈦促進(jìn)型耐硫變換催化劑的性能[J];應(yīng)用化學(xué);2001年08期

8 蔣文貞,張志祥,陳建設(shè);銀催化劑使用前后的微觀變化[J];石化技術(shù);2004年02期

9 趙羅生;;新型金屬載體消氫催化劑的研究[J];艦船科學(xué)技術(shù);2006年02期

10 趙志利;李建偉;陳標(biāo)華;;三氧化二鐵晶型對鐵鉻系高溫變換催化劑性能的影響[J];現(xiàn)代化工;2006年S2期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 辛勤;;粒子大小、微區(qū)結(jié)構(gòu)和組成對催化劑性能的影響[A];第七屆全國催化劑制備科學(xué)與技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2009年

2 吳慧;樊金串;黃偉;謝克昌;;聚乙二醇對合成二甲醚漿狀催化劑性能的影響研究[A];第十三屆全國催化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2006年

3 王麗麗;賈美林;照日格圖;郝向英;;以分子篩為載體的納米金催化劑的性能研究[A];第五屆全國環(huán)境催化與環(huán)境材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2007年

4 潘兆德;王宏悅;蔡亮;胡文培;劉坤;;高活性耐硫變換催化劑的研制[A];第六屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會(huì)論文集[C];2009年

5 趙曉爭;高雄厚;張忠東;張莉;劉宏海;;不同類型稀土元素對原位晶化型催化劑性能的影響[A];甘肅省化學(xué)會(huì)第二十七屆年會(huì)暨第九屆甘肅省中學(xué)化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文摘要集[C];2011年

6 孫欣欣;林強(qiáng);李金兵;;載體預(yù)處理工藝對乙烯氧化銀催化劑性能的影響[A];第九屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會(huì)論文集[C];2012年

7 王紅巖;鄭起;于政錫;林性貽;;鉬助劑對乙炔法合成醋酸乙烯催化劑性能的影響[A];第十三屆全國催化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2006年

8 曾利輝;高武;李岳鋒;丁良;姚琪;;3α-高托品烷胺合成用催化劑的研究[A];第十四屆全國青年催化學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議論文集[C];2013年

9 黃文氫;張飛;張穎;張明森;;改性甲醇制低碳烯烴催化劑的表征[A];中國化工學(xué)會(huì)2008年石油化工學(xué)術(shù)年會(huì)暨北京化工研究院建院50周年學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文集[C];2008年

10 苗婷;朱海燕;;活性炭載體結(jié)構(gòu)及預(yù)處理對催化劑性能的影響[A];第十屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會(huì)論文集[C];2013年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 凌鋒;國產(chǎn)催化劑工業(yè)化應(yīng)用結(jié)新果[N];中國石化報(bào);2005年

2 王永軍;多功能硫黃回收催化劑經(jīng)濟(jì)又環(huán)保[N];中國石化報(bào);2009年

3 江書程　仇國賢 辛國萍;原位晶化型催化劑達(dá)國際先進(jìn)水平[N];中國礦業(yè)報(bào);2009年

4 通訊員 趙淑玲;吉林石化新型催化劑一次通過考核標(biāo)定[N];中國石油報(bào);2009年

5 本報(bào)記者 曾敏學(xué);湖南建長：生產(chǎn)世界一流催化劑[N];岳陽晚報(bào);2011年

6 本報(bào)記者 許琦敏;促使催化劑分子“單兵作戰(zhàn)”[N];文匯報(bào);2012年

7 郝曉麗　朱向?qū)W 姚偉;大連化物所自主合成吡啶新型催化劑[N];科技日報(bào);2009年

8 陶炎;乙二醇生產(chǎn)成本大降[N];中國石化報(bào);2011年

9 通訊員 仇國賢;推廣新型催化劑增產(chǎn)乙烯上千噸[N];中國石油報(bào);2011年

10 李曉巖;氣相法聚乙烯催化劑投用[N];中國化工報(bào);2003年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 白翠華;含氮MOFs衍生復(fù)合材料的制備及其催化性能研究[D];華南理工大學(xué);2015年

2 劉子萱;聚吡咯修飾碳載鈷催化劑對氧還原催化作用的研究[D];浙江大學(xué);2013年

3 李加新;鋰離子/空氣電池碳基電極的設(shè)計(jì)、制備及性能研究[D];福建師范大學(xué);2015年

4 李彥朋;硫化鉬/碳及硫/碳復(fù)合電極材料性能與催化機(jī)理研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

5 梁虹;車用柴油機(jī)SCR系統(tǒng)催化箱溫度場特性研究[D];北京理工大學(xué);2015年

6 趙波;富鈰基鈰鋯復(fù)合氧化物材料的制備及其負(fù)載單Pd催化劑三效催化性能的研究[D];浙江大學(xué);2011年

7 李慶遠(yuǎn);磁性金屬—有機(jī)骨架催化劑的合成、結(jié)構(gòu)表征和催化性能研究[D];北京化工大學(xué);2014年

8 仇方圓;微納過渡金屬復(fù)合物的制備及其催化NH_3BH_3放氫性能研究[D];南開大學(xué);2014年

9 胡曉靜;TiO_2納米管基催化劑的制備、表征及催化性能研究[D];南開大學(xué);2014年

10 徐悅;基于第一性原理篩選甲烷重整反應(yīng)用金屬及合金催化劑[D];華東理工大學(xué);2014年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 陳文龍;加氫脫硫催化劑的制備與反應(yīng)性能[D];中國石油大學(xué)(華東);2013年

2 曹靜儀;含貴金屬四氧化三鈷作為鋰空氣電池正極催化劑的性能研究[D];浙江大學(xué);2016年

3 趙樂樂;火電廠煙氣脫硝SCR催化劑制備及其催化反應(yīng)性能研究[D];太原科技大學(xué);2015年

4 柳璐;鐵基雙金屬/氮共摻雜碳催化劑的制備及其電催化氧還原性能[D];太原理工大學(xué);2016年

5 劉振偉;鎢基催化劑的制備及加氫脫氮性能[D];西南石油大學(xué);2014年

6 馬宗偉;FeCoBa氧化物納米晶芬頓催化劑的制備及性能研究[D];東北電力大學(xué);2016年

7 謝進(jìn);直接甲醇燃料電池有序鉑釕核殼催化劑的研究[D];南京大學(xué);2016年

8 劉海麗;Ni系非晶態(tài)合金催化劑催化微晶纖維素制備乙二醇[D];長春工業(yè)大學(xué);2016年

9 谷文業(yè);DOC協(xié)同NSR技術(shù)脫除柴油機(jī)NO_x排放的試驗(yàn)研究[D];江蘇大學(xué);2016年

10 于亞楠;碳材料作為燃料電池催化劑的應(yīng)用研究[D];西南大學(xué);2016年

，

本文編號：554723