本文選題：質(zhì)子交換膜燃料電池　切入點(diǎn)：氧還原　出處：《南京大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：在許多能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存裝置中,氧還原反應(yīng)oxygen reduction reaction(ORR)是重要的反應(yīng),其中燃料電池是最具代表性的。但是由于燃料電池需要鉑或鉑基材料作為催化劑,因此它的成本是一個(gè)很大的缺點(diǎn)。因此為了降低電池成本,實(shí)現(xiàn)燃料電池的商業(yè)化發(fā)展,必須尋找可以替代鉑的廉價(jià)的高效的氧還原催化劑。在非鉑催化劑的研究過程中,基于摻氮石墨烯材料的催化劑成本低廉,性能優(yōu)越,是一種被認(rèn)為有希望取代鉑的新型催化劑。本文研究了一種制備摻氮石墨烯材料新方法。利用發(fā)生在氨基和羰基之間的美拉德反應(yīng),焦糖化前驅(qū)體作為熱解的預(yù)反應(yīng),之后將焦糖混合于熔融鹽中進(jìn)行二次熱解,一次氮?dú)?一次氨氣。這樣合成的摻氮石墨烯材料比表面大并且具有大量微孔,催化劑表面的活性位點(diǎn)密度也得以提高,從而提高了催化劑的氧還原性能。并且經(jīng)過二次高溫?zé)峤庵牧嫌兄^好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。首先,我們利用核糖與氯化銨作為前驅(qū)體,氯化鈉、氯化鉀作為混合鹽來制備摻氮石墨烯催化劑。制備出的催化劑為不含金屬的多孔摻氮石墨烯microporous n-graphene(MNG)。該催化材料的表面形態(tài)是微孔氮摻雜石墨烯,BET分析特征表明最高的比表面達(dá)1261m2·g-1,并且具有大量微孔。這種微孔結(jié)構(gòu)提供了眾多的缺陷,產(chǎn)生大量的活性位點(diǎn),同時(shí)有利于O2的擴(kuò)散,從而提高摻雜石墨烯的氧還原反應(yīng)性能和微孔氮穩(wěn)定性。因此,當(dāng)作為燃料電池的陰極材料,燃料電池的功率密度在1個(gè)大氣背壓下達(dá)到547 mW·cm-2,并且在250小時(shí)后僅下降12.5%,穩(wěn)定性好。該類催化劑在無金屬氧還原反應(yīng)催化劑中具有良好的性能,是有望成為商用的氧還原反應(yīng)催化劑。在碳材料中,碳納米管Carbon nanotube(CNT)也具有高的比表面積,高的結(jié)晶性,優(yōu)異的導(dǎo)電性和高的電化學(xué)耐腐蝕性,有很大潛力作為優(yōu)秀催化劑的支撐材料。Fe-N-C摻雜的CNT催化劑在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出了很強(qiáng)的ORR活性。CNT的氨熱解處理可以導(dǎo)致生長(zhǎng)納米管必須的Fe原子在各個(gè)CNT表面上。CNT上的孔結(jié)構(gòu)應(yīng)該能提高O2、質(zhì)子和水的質(zhì)量傳輸來提高質(zhì)子燃料電池的功率密度。為了提高催化劑的性能,合成碳納米管支撐的催化劑,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)步驟中加入鐵鹽前驅(qū)物以合成碳納米管。通過改變前驅(qū)物中鐵元素的量來探索催化劑形貌和性能的改變。從SEM、TEM表征發(fā)現(xiàn),當(dāng)加入鐵鹽時(shí),催化劑的形貌會(huì)從納米片變?yōu)樘技{米管。經(jīng)過拉曼光譜的分析,發(fā)現(xiàn)ORR性能最好的催化劑的D峰與G峰的比值ID/IG為0.98,微孔缺陷較多,這證明催化劑的活性位點(diǎn)也多,有利于ORR的性能提高。XRD的表征發(fā)現(xiàn)合成的催化劑中的碳多為無定形碳,在碳材料的催化劑中,無定形碳比石墨碳具有更好的活性與穩(wěn)定性。電化學(xué)表征發(fā)現(xiàn)ORR性能最好的催化劑具有最高的起始電位0.95V,在經(jīng)過10100次循環(huán)后,電勢(shì)降也只下降了 38mV。該催化劑的氧還原性能較好,有望作為鉑催化劑替代的用于燃料電池商業(yè)化。
[Abstract]:A new type of catalyst for preparing nitrogen - doped graphene material is prepared by using ribose and ammonium chloride as precursor , sodium chloride and potassium chloride as precursor , sodium chloride and potassium chloride as mixed salt . The characterization of XRD showed that the carbon in the synthesized catalyst was amorphous carbon . In the catalyst of the carbon material , the amorphous carbon had better activity and stability than the graphite carbon . The electrochemical characterization showed that the best catalyst had the highest initial potential of 0.95 V . After 10100 cycles , the potential drop was only 38 mV . The oxygen reduction property of the catalyst was good , which is expected to be used as a platinum catalyst for the commercialization of fuel cells .

【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O643.36;TM911.4
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本文編號(hào)：1695670