本文關(guān)鍵詞：過渡金屬、氮共摻雜碳材料的制備及其ORR催化活性的研究

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【摘要】：廉價、高效的非貴金屬氧還原催化劑的研究和開發(fā)是解決燃料電池成本高,商業(yè)化進程受阻的關(guān)鍵因素,也是目前國內(nèi)外科研工作者們的研究熱點。其中,過渡金屬、氮共摻雜的碳材料(M/N-C)憑借其良好的催化能力和低廉的價格,被認為是最有希望的陰極催化劑。但是也存在著一些問題:(1)其催化活性仍不及商業(yè)鉑碳,尤其在酸性體系;(2)碳載體與活性中心的界面作用力弱;(3)酸堿體系下催化活性差異明顯的原因不明且缺乏系統(tǒng)的研究。針對以上問題,本文采用一步熱解的方式原位制備M/N-C催化劑。這種方法有效地增強了碳載體與活性中心之間的界面作用力,從而提高了材料的催化活性,堿性條件下可與商業(yè)鉑碳媲美;其中,采用雙金屬摻雜的M/N-C催化劑更是在酸性體系下表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化活性。此外,我們對酸堿條件下的活性差異進行較為系統(tǒng)地研究,具體研究內(nèi)容如下:(1)以ZIF-67、醋酸鈷、雙氰胺為前驅(qū)體,一步合成了具有優(yōu)異催化活性的Co、N共摻雜竹節(jié)狀大尺寸碳管(CoN-BCNTs)催化劑,并對其形成機理和催化活性進行系統(tǒng)的研究和分析。結(jié)果表明,較高的氮摻雜量以及特殊的竹節(jié)狀結(jié)構(gòu)使得CoN-BCNTs表現(xiàn)出了在堿性條件下與30wt%Pt/C相媲美的催化活性(半波電位E1/2=0.80 V,極限電流密度Jm=-4.70 mA·cm-2)以及更為優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定與抗甲醇能力。(2)以球形Fe_3O_4和三聚氰胺為前驅(qū)體,制備了高催化活性的Fe、N摻雜中空介孔碳球(FeN-HCS),FeNx的本征催化活性以及中空介孔(HCS)的合理結(jié)構(gòu)賦予了FeN-HCS在堿性條件下更為優(yōu)異的催化活性(E1/2=0.83 V,Jm=-5.64 mA·cm-2)以及循環(huán)穩(wěn)定性,甚至超越了30wt%Pt/C催化劑。此外,我們對合成過程中二次熱處理的作用進行了系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)二次熱處理對于中空介孔結(jié)構(gòu)的成型具有關(guān)鍵的作用。(3)按照相同的合成思路,引入Fe,Co雙金屬并將其與石墨烯原位結(jié)合構(gòu)筑FeCoN-HCS/G催化劑,雙金屬的協(xié)同作用以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有效地提高了催化劑在酸性體系下的催化活性。最后系統(tǒng)地研究了三種催化劑在酸堿性體系下催化活性的差異,并給出合理的推測,希望能對后續(xù)催化劑的設(shè)計提供一個思路。
【關(guān)鍵詞】：燃料電池 氧還原 過渡金屬/氮-碳 共摻雜 “構(gòu)-效”關(guān)系
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O613.71;O643.36
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 緒論12-22
• 1.1 燃料電池的概述12-14
• 1.1.1 引言12
• 1.1.2 工作原理及存在問題12-13
• 1.1.3 陰極氧還原反應(yīng)（ORR）過程13-14
• 1.2 陰極催化劑的特點及研究進展14-15
• 1.3 非貴金屬M/N-C催化劑15-20
• 1.3.1 概述15-16
• 1.3.2 （M=Fe、Co、Ni等）催化活性的影響因素16-19
• 1.3.3 M/N-C催化劑的制備方法及存在問題19-20
• 1.3.4 溶液pH值對于M/N-C催化劑的影響及存在問題20
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容20-22
• 第二章 Co，N共摻雜竹節(jié)狀大尺寸碳管的制備及其電催化氧還原性能22-37
• 2.1 前言22-23
• 2.2 實驗部分23-25
• 2.2.1 原料與試劑23
• 2.2.2 材料制備23-24
• 2.2.3 材料的物性表征24
• 2.2.4 材料的電化學(xué)性能表征24-25
• 2.3 結(jié)果與討論25-36
• 2.3.1 鈷、氮共摻雜碳管（CoN-BCNTs）的物性表征25-27
• 2.3.2 鈷、氮共摻雜碳管（CoN-BCNTs）的電化學(xué)催化活性表征27-31
• 2.3.3 熱處理溫度對CoN-BCNTs(200)-Y尺寸以及催化活性的影響31-32
• 2.3.4 前驅(qū)體的不同組分對于大尺寸碳管的形成與活性的影響32-33
• 2.3.5 CoN-BCNTs的形成機理探討33-36
• 2.4 小結(jié)36-37
• 第三章 Fe，N共摻雜中空介孔碳球的制備及其電催化氧還原性能37-49
• 3.1 前言37-38
• 3.2 實驗部分38-39
• 3.2.1 原料與試劑38
• 3.2.2 材料制備38
• 3.2.3 材料的物性表征38-39
• 3.2.4 材料的電化學(xué)性能表征39
• 3.3 結(jié)果與討論39-48
• 3.3.1 鐵、氮共摻雜中空介孔碳球（FeN-HCS）的形成過程和物性表征39-44
• 3.3.2 鐵、氮共摻雜中空介孔碳球（FeN-HCS）的電化學(xué)表征44-48
• 3.4 小結(jié)48-49
• 第四章 Fe，Co，N共摻雜中空碳球/石墨烯的制備及酸性體系電催化氧還原性能49-67
• 4.1 前言49-50
• 4.2 實驗部分50-52
• 4.2.1 原料與試劑50
• 4.2.2 材料的制備50-51
• 4.2.3 材料的物性表征51
• 4.2.4 材料的電化學(xué)性能表征51-52
• 4.3 結(jié)果與討論52-65
• 4.3.1 FeCoN-HCS(2)/G的物性表征52-56
• 4.3.2 FeCoN-HCS(2)/G的電化學(xué)催化活性表征56-58
• 4.3.3 FeCoN-HCS(X)/G酸性體系下的電化學(xué)催化活性的深入探究58-65
• 4.4 小結(jié)65-67
• 第五章 總結(jié)與展望67-69
• 5.1 總結(jié)67-68
• 5.2 展望68-69
• 參考文獻69-76
• 致謝76-77
• 在校期間的研究成果以及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文77

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 嚴祥輝;張貴榮;徐柏慶;;聚苯胺衍生Fe-N-C催化劑在堿性電解質(zhì)中對氧還原反應(yīng)的催化性能(英文)[J];催化學(xué)報;2013年11期

2 司玉軍;陳昌國;熊中平;尹偉;蔡慧;;新型炭載TM-N/C氧還原反應(yīng)催化劑的研究進展[J];電源技術(shù);2010年12期

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本文編號：779723