本文關鍵詞：過渡金屬（Fe、Co）、氮共摻雜納米碳催化劑的制備及其氧還原催化性能研究

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【摘要】：氧還原反應是燃料電池和金屬空氣電池等電化學能量轉換裝置的關鍵反應,通常采用鉑族貴金屬作為電催化劑,但貴金屬成本高、儲量有限,制約了商業(yè)化應用。因此,研究開發(fā)非貴金屬氧還原催化劑具有重要意義。本文采用廉價易得的維生素B12、血晶素為原料,利用其獨特的金屬-氮螯合結構Co)(Fe、Co)—Nx,與炭載體進行表面化合,制備了過渡金屬、氮共摻雜納米炭(TM(Fe、Co)-N-C)催化劑,研究了催化劑結構和表面組成對氧還原催化性能的影響機制；通過對催化劑孔結構進行調(diào)控,獲得了高活性的非貴金屬氧還原催化劑。首先,采用維生素B12作為Co、N共前驅(qū)體,與多種炭載體(CNTs、 BP2000、XC-72)分別浸漬混合,熱處理制備了系列Co-N-C催化劑,考察了炭載體對氧還原催化性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),炭載體較高的比表面積和表面較多的缺陷位有利于活性中心的擔載和分散,從而提高氧還原催化活性。電化學測試結果表明,以BP2000為炭載體制備的Co-N-C催化劑在堿性電解液中具有最好的催化活性(氧還原半波電位0.784 V vs. RHE),其電化學穩(wěn)定性和抗甲醇中毒能力均優(yōu)于商業(yè)化Pt/C。其次,采用血晶素作為Fe、N共前驅(qū)體,與BP2000炭載體浸漬后熱解,制備了Fe-N-C催化劑,考察了熱處理條件對催化劑形貌結構和催化性能的影響。電化學測試表明,在堿性電解液中,800℃C熱處理得到的催化劑氧還原半波電位0.839 vs.RHE,催化活性與商業(yè)化Pt/C接近,具有優(yōu)異電化學穩(wěn)定性和抗甲醇中毒能力。物相結構分析結果表明,熱處理溫度在600℃C以上時,有含F(xiàn)e的晶化相出現(xiàn)；溫度升高至900℃C時,主要以Fe3C形式存在。最后,為了進一步提高Fe-N-C催化劑的氧還原活性和電化學穩(wěn)定性,采用酸洗和二次熱處理的方法對Fe-N-C催化劑的孔結構進行了調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn),Fe3C等品化相在酸洗過程中浸出,促進了微孔的產(chǎn)生,大幅提高了催化劑的比表面積。電化學測試表明,催化劑經(jīng)酸洗和二次熱處理后,氧還原半波電位提高25 mV,在堿性電解液中最高達到0.848 V vs.RHE,顯著高于商業(yè)化Pt/C催化劑；在酸性電解液中,該催化劑氧還原半波電位提高38mV,達到0.728 V vs. RHE,經(jīng)5000圈循環(huán)伏安掃描后半波電位僅衰減10mV,表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性。
【關鍵詞】：氧還原反應 維生素B12 血晶素 BP2000 熱處理 孔結構
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 緒論16-30
• 1.1 引言16
• 1.2 氧還原反應及其催化劑16-17
• 1.3 非貴金屬催化劑的研究進展17-20
• 1.3.1 過渡金屬合金及化合物17-18
• 1.3.2 非金屬元素摻雜碳材料18-20
• 1.3.3 過渡金屬-氮-碳(TM-N-C)20
• 1.4 TM-N-C催化劑研究進展20-29
• 1.4.1 過渡金屬前驅(qū)體21-26
• 1.4.2 氮及碳前驅(qū)體26
• 1.4.3 熱處理條件26-28
• 1.4.4 活性位點28-29
• 1.5 本文的研究意義及內(nèi)容29-30
• 1.5.1 研究意義29
• 1.5.2 研究內(nèi)容29-30
• 第二章 實驗部分30-40
• 2.1 實驗試劑及儀器30-31
• 2.1.1 實驗試劑30
• 2.1.2 實驗儀器30-31
• 2.2 催化劑制備31-35
• 2.2.1 Co-N-C催化劑制備31-33
• 2.2.2 Fe-N-C催化劑制備33-34
• 2.2.3 Fe-N-C催化劑孔結構調(diào)控34-35
• 2.3 組成與結構分析35-36
• 2.3.1 掃描電子顯微鏡(SEM)與高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)35
• 2.3.2 氮氣等溫吸脫附測試35
• 2.3.3 X射線衍射(XRD)35
• 2.3.4 拉曼光譜(Raman)35
• 2.3.5 熱重分析(TGA)35-36
• 2.3.6 X射線光電子能譜(XPS)36
• 2.4 氧還原電催化性能測試36-40
• 2.4.1 薄膜電極的制備36-37
• 2.4.2 循環(huán)伏安(CV)37
• 2.4.3 線性掃描伏安(LSV)37-38
• 2.4.4 計時電流(Chronoamperometry)38-40
• 第三章 Co-N-C催化劑制備及其氧還原催化性能研究40-56
• 3.1 引言40
• 3.2 維生素B12熱分解過程40-43
• 3.2.1 維生素B12的失重分析40-41
• 3.2.2 維生素B12熱解產(chǎn)物的形貌與結構41-43
• 3.3 Co-N-C催化劑物性表征43-49
• 3.3.1 炭載體與Co-N-C催化劑的形貌分析43-44
• 3.3.2 炭載體與Co-N-C催化劑的孔結構及比表面積分析44-46
• 3.3.3 炭載體與Co-N-C催化劑的物相及石墨化度46-48
• 3.3.4 Co-N-C催化劑的表面元素組成及化學狀態(tài)分析48-49
• 3.4 Co-N-C催化劑氧還原反應催化性能49-54
• 3.4.1 氧還原催化活性49-51
• 3.4.2 電化學穩(wěn)定性51-53
• 3.4.3 抗甲醇中毒能力53-54
• 3.5 本章小結54-56
• 第四章 Fe-N-C催化劑制備及其氧還原催化性能研究56-72
• 4.1 引言56
• 4.2 血晶素熱分解過程56-57
• 4.3 Fe-N-C催化劑的物性表征57-63
• 4.3.1 形貌分析57-59
• 4.3.2 物相結構59-60
• 4.3.3 孔結構及比表面積分析60-61
• 4.3.4 表面元素組成及化學狀態(tài)分析61-63
• 4.4 Fe-N-C催化劑氧還原催化性能63-69
• 4.4.1 堿性條件下的氧還原性能64-66
• 4.4.2 酸性條件下的氧還原性能66-67
• 4.4.3 組成結構對氧還原性能的影響67-69
• 4.5 本章小結69-72
• 第五章 Fe-N-C催化劑孔結構調(diào)控及其氧還原催化性能研究72-86
• 5.1 引言72
• 5.2 酸洗及二次熱處理對氧還原性能的影響72-79
• 5.2.1 堿性條件下的氧還原性能72-75
• 5.2.2 酸性條件下的氧還原性能75-79
• 5.3 酸洗及二次熱處理對組成結構的影響79-85
• 5.3.1 比表面積及孔結構79-82
• 5.3.2 物相結構及形貌82-83
• 5.3.3 元素成分及結合態(tài)83-85
• 5.4 本章小結85-86
• 第六章 全文總結86-88
• 參考文獻88-96
• 致謝96-98
• 研究成果及發(fā)表的學術論文98-100
• 作者及導師簡介100-102
• 附件102-103

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 ;Study of pyrolyzed hemin/C as non-platinum cathodic catalyst for direct methanol fuel cells[J];Science China(Chemistry);2010年09期

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本文編號：841857