發(fā)布時間：2018-03-12 16:07

  本文選題：電催化劑　切入點：石墨烯　出處：《湖南大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：直接醇類燃料電池(DMFC)因其能量轉(zhuǎn)化效率高、污染低、燃料來源廣等優(yōu)點,已成為新能源研究的熱點。然而目前制約DMFC商業(yè)化發(fā)展的主要瓶頸主要包括:(1)催化劑主要使用貴金屬鉑(Pt)基材料導致制造成本價格昂貴;(2)醇類分子在催化劑陽極的低反應活性及醇分子從陽極滲透到陰極影響陰極催化劑性能等。因此,尋找低成本、高活性和高穩(wěn)定性的電催化劑成為DMFC的研究重點。本文探索研究制備了氮摻雜卷曲石墨烯(NG)、氮摻雜卷曲石墨烯負載Pt納米粒子復合物(Pt NPs/N-GNSs)、氮摻雜介孔碳(NMPCs)負載Pt Ru納米粒子復合物(Pt Ru/NMPCs)、氮摻雜中空碳球(N-HCS)、氮摻雜中空碳球負載Pt納米粒子復合物、水熱碳化殼聚糖修飾碳納米管(CNTs)負載Pt納米粒子復合物(Pt/C-Chitosan@CNTs),并將所制備材料應用作DMFC陽極/陰極催化劑研究,主要包括以下幾個方面內(nèi)容:(1)以聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDDA)為氮源、GO作為還原石墨烯(RGO)前驅(qū)體,通過超聲空化輔助氫內(nèi)爆法(不同超聲強度)制備系列氮摻雜卷曲石墨烯(NG)催化劑。采用透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、X射線衍射分析(XRD)、拉曼光譜(Raman)等方法對系列NG進行測試表征,結(jié)果顯示系列NG不僅具有不同的卷曲折疊結(jié)構(gòu),同時擁有不同的氮摻雜型體和還原度特性;電化學測試結(jié)果顯示具有高還原度、折疊卷曲結(jié)構(gòu)、吡啶和石墨型氮摻雜為主的NG-700擁有很好的ORR催化活性(近似的四電子ORR催化過程),高抗甲醇滲透性能,其ORR催化長期穩(wěn)定性較商業(yè)Pt/C(E-TEK)更好。(2)以聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDDA)為氮源、氧化石墨烯(GO)作為還原石墨烯(RGO)前驅(qū)體,通過超聲空化輔助氫內(nèi)爆法制備氮摻雜卷曲石墨烯負載Pt納米粒子復合物(Pt NPs/N-GNSs)催化劑。采用透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)等儀器對Pt NPs/N-GNSs進行表征測試,結(jié)果顯示:Pt NPs/N-GNSs不僅具有卷曲的結(jié)構(gòu),而且N-GNSs載體擁有氮摻雜、高還原度的特性;電化學測試結(jié)果顯示,Pt NPs/N-GNS催化劑擁有比Pt NPs/PDDA-RGO更好的電催化甲醇氧化活性和長期循環(huán)穩(wěn)定性。(3)以過硫酸銨為氧化劑引發(fā)吡咯單體(Py,作為碳源、氮源)在納米Si O2球表面聚合形成聚吡咯Ppy/二氧化硅(Si O2)復合物,再通過水熱、碳化及刻蝕處理得到均一的氮摻雜中空碳球(N-HCS)催化劑。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)和ASAP-2020比表面分析儀等對N-HCS進行表征測試,結(jié)果顯示N-HCS的比表面積為759 m2·g-1,碳球直徑約為370 nm,壁厚約為15 nm,主要為吡啶和石墨型摻雜氮;采用CV及LSV等方法檢測N-HCS在堿性條件下的ORR催化活性,結(jié)果顯示其不僅擁有近似四電子ORR催化途徑,而且具有高ORR催化活性和抗甲醇滲透能力。(4)以氮摻雜中空碳球(N-HCS)為載體,利用微波輔助乙二醇還原法制備氮摻雜中空碳球負載Pt納米粒子復合物(Pt/N-HCS)催化劑。采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、能量散射光譜(EDS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)和X射線光電子能譜(XPS)等儀器對Pt/N-HCS進行測試表征,結(jié)果顯示粒徑~2.64 nm的Pt納米粒子均勻地分散在N-HCS載體表面。其中Pt在Pt/N-HCS中的質(zhì)量分數(shù)分別為18.76%;電化學測試結(jié)果顯示,Pt/N-HCS催化劑擁有比商業(yè)Pt/C(E-TEK)更高的電催化甲醇氧化活性和長期穩(wěn)定性。(5)通過直接碳化沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)材料(ZIF-8)制備氮摻雜多面體介孔碳材料(NMPCs)。采用X射線衍射分析(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、氮氣吸脫附、X射線光電子能譜分析(XPS)等儀器對NMPCs進行測試表征,結(jié)果顯示:NMPCs不僅具有均一的多面體形外貌、高比表面積(1960m2·g-1)、大孔容(1.16 cm3·g-1)、窄孔徑分布(~3.6 nm)的結(jié)構(gòu),同時具有氮摻雜屬性(氮含量為3.75%)。將NMPCs作為載體材料,通過微波輔助還原法制備Pt Ru/NMPCs復合物催化劑,結(jié)果顯示:平均粒徑為1.9±0.3 nm的Pt Ru納米顆粒均勻分散在NMPCs表面;電化學測試結(jié)果顯示,Pt Ru/NMPCs不僅擁有比商業(yè)Pt Ru/C(E-TEK)更高的電催化甲醇氧化活性和長期循環(huán)穩(wěn)定性,而且其對甲醇的電催化氧化主要受擴散控制影響。(6)通過水熱還原法制備碳化殼聚糖修飾碳納米管負載鉑納米粒子復合物(Pt/C-Chitosan@CNTs)催化劑。采用透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、X射線衍射分析(XRD)、拉曼光譜(Raman)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)等儀器對Pt/C-Chitosan@CNTs進行檢測分析,結(jié)果顯示水熱還原法不僅使CNTs表面修飾的Chitosan碳化,而且將Chitosan@CNTs表面均勻吸附螯合的Pt Cl62-原位還原為Pt NPs(平均粒徑約為1.39±0.2 nm)。其中Pt在Pt/C-Chitosan@CNTs復合物中的質(zhì)量分數(shù)為19.46%。電化學測試結(jié)果顯示,Pt/C-Chitosan@CNTs催化劑擁有高的電催化甲醇氧化活性和長期穩(wěn)定性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.4;O643.36

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本文編號：1602289