本文關(guān)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(yīng)是燃料電池和金屬空氣電池等電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置的關(guān)鍵反應(yīng),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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dān)載和分散,從而提高氧還原催化活性。電化學(xué)測試結(jié)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(xué)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(jié)構(gòu)和催化性能的影響。電化學(xué)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(xué)穩(wěn)定性和抗甲醇中毒能力。物相結(jié)構(gòu)分析結(jié)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(xué)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(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：氧還原反應(yīng) 維生素B12 血晶素 BP2000 熱處理 孔結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(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5-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 緒論16-30
• 1.1 引言16
• 1.2 氧還原反應(yīng)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?fù)诫s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(jié)構(gòu)調(diào)控34-35
• 2.3 組成與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)狀態(tài)分析48-49
• 3.4 Co-N-C催化劑氧還原反應(yīng)催化性能49-54
• 3.4.1 氧還原催化活性49-51
• 3.4.2 電化學(xué)穩(wěn)定性51-53
• 3.4.3 抗甲醇中毒能力53-54
• 3.5 本章小結(jié)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?zé)岱纸膺^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(jié)構(gòu)59-60
• 4.3.3 孔結(jié)構(gòu)及比表面積分析60-61
• 4.3.4 表面元素組成及化學(xué)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(jié)構(gòu)對氧還原性能的影響67-69
• 4.5 本章小結(jié)69-72
• 第五章 Fe-N-C催化劑孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的影響79-85
• 5.3.1 比表面積及孔結(jié)構(gòu)79-82
• 5.3.2 物相結(jié)構(gòu)及形貌82-83
• 5.3.3 元素成分及結(jié)合態(tài)83-85
• 5.4 本章小結(jié)85-86
• 第六章 全文總結(jié)86-88
• 參考文獻88-96
• 致謝96-98
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文98-100
• 作者及導(dǎo)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

，

本文編號：841857