本文選題：燃料電池 + 非貴金屬氧還原催化劑　； 參考：《深圳大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,跟鋰離子電池不一樣,只要不斷地提供燃料和氧化劑,燃料電池就能持續(xù)地工作。質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)因其工作溫度低、能量密度高和無環(huán)境污染等特點成為目前研究的熱點。但由于PEMFC工作時需要使用大量的貴金屬鉑作為陰極氧氣還原反應(yīng)(oxygen reduction reaction,ORR)的催化劑導(dǎo)致制備成本過高,限制了其商業(yè)化發(fā)展。因此,研發(fā)具有高活性的、低成本和穩(wěn)定性好的ORR催化劑對PEMFC的進(jìn)一步發(fā)展至關(guān)重要。雜原子(N、P、B和S等)摻雜碳材料能夠制備出高活性、高穩(wěn)定性的ORR催化劑,其中N原子摻雜碳材料的研究得尤為活躍。近些年來,有關(guān)N/S雙摻雜的催化劑的報道不斷出現(xiàn),研究表明S原子的引入能夠進(jìn)一步提高催化劑的活性。人們認(rèn)為S原子的引入對催化劑活性位點的形成或者是增加有積極的促進(jìn)作用,從而進(jìn)一步提高催化劑的活性。在上述結(jié)果基礎(chǔ)上,我們探索了基于生物分子構(gòu)建N/S雙摻雜的非貴金屬ORR催化劑的方法,并對催化劑的電化學(xué)活性進(jìn)行研究,主要內(nèi)容包括如下幾個方面:1、綜述燃料電池ORR非貴金屬催化劑的研究進(jìn)展,重點闡述構(gòu)建非貴金屬催化劑的幾個重要成分,包括碳載體、含氮前軀體和過渡金屬前驅(qū)體。最后確定我們的實驗方案。2、簡要介紹所需藥品和試劑、以及大型儀器設(shè)備,并對實驗過程中用到的電化學(xué)測試手段以及評價ORR催化劑電催化活性的方法進(jìn)行簡要的說明。3、使用生物小分子L-半胱氨酸(L-Cysteine,L-Cys)為氮源前軀體,與商業(yè)導(dǎo)電炭黑、氯化鐵復(fù)合,通過高溫炭化,一步合成N/S共摻雜的新型ORR催化劑C/L-Cys/Fe。利用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)表征了催化劑的結(jié)構(gòu)和形貌,結(jié)果表明催化劑呈現(xiàn)粒子形狀,碳層具有有序化石墨結(jié)構(gòu);結(jié)合X射線光電子能譜(XPS)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)我們制備的C/L-Cys/Fe催化劑存在著不同形態(tài)的N和S,證明利用L-半胱氨酸為前驅(qū)體,成功合成了N/S共摻雜的ORR催化劑。通過電化學(xué)方法測試其催化性能發(fā)現(xiàn),在堿性介質(zhì)中,催化劑C/L-Cys/Fe表現(xiàn)出優(yōu)秀的催化活性和良好的穩(wěn)定性,并在高載量的情況下能達(dá)到與商業(yè)Pt/C催化劑相當(dāng)?shù)幕钚浴Ｍㄟ^K-L方程擬合表明C/L-Cys/Fe催化氧還原反應(yīng)是一個四電子過程,能夠?qū)2直接還原為H2O或者OH-,進(jìn)一步說明催化劑具有較高的活性。4、使用牛血清蛋白(BSA)為前軀體、羧基化碳納米管(CNT)為碳載體、結(jié)合氯化鐵,經(jīng)過熱處理制備出N/S共摻雜的ORR催化劑CNT/BSA/Fe。制備的催化劑在堿性條件下具有出眾的催化性能,增大負(fù)載量其活性可接近商業(yè)Pt/C催化劑。同時該催化劑也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。通過計算K-L方程發(fā)現(xiàn)氧還原反應(yīng)在催化劑CNT/BSA/Fe作用下整體上是一個四電子的過程。XPS數(shù)據(jù)顯示吡啶氮、石墨氮以及吡咯氮均存在催化劑中,還有微量的硫也以不同形態(tài)摻雜到其中,解釋了催化劑具有較好性能的原因。
[Abstract]:A fuel cell is a device that converts chemical energy into electrical energy. Unlike lithium ion batteries, fuel cells can work continuously as long as they continue to provide fuel and oxidizing agents. Proton exchange membrane fuel cells (proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) are present at the present time because of their low working temperature, high energy density and no environmental pollution. However, due to the need to use a large number of precious metal platinum as the cathode oxygen reduction reaction (oxygen reduction reaction, ORR) as a result of PEMFC work, the preparation cost is too high and the commercial development is limited. Therefore, the development of the ORR catalyst with high activity, low cost and good stability to the PEMFC is further developed. The doping of carbon materials (N, P, B and S) can produce highly active and highly stable ORR catalysts, in which the study of N atom doped carbon materials is particularly active. In recent years, the reports of N/S dual doped catalysts have emerged. The research shows that the introduction of S atoms can further improve the activity of the catalysts. People think that the activity of the catalyst can be further improved. The introduction of S atoms has a positive effect on the formation or increase of the active site of the catalyst, thus further improving the activity of the catalyst. On the basis of the above results, we explored the method of constructing a N/S double doped ORR catalyst based on biological molecules, and studied the electrochemical activity of the catalyst. The following aspects include: 1, review the progress in the research of non precious metal catalysts for fuel cell ORR, focusing on the construction of several important components of non precious metal catalysts, including carbon carriers, nitrogen containing precursors and transition metal precursors. Finally, our experimental scheme.2 is determined, and the required drugs and reagents, as well as large instruments and equipment, are briefly introduced. The electrochemical testing methods used in the experiment and the method of evaluating the electrocatalytic activity of ORR catalyst are briefly described,.3, using small molecule L- cysteine (L-Cysteine, L-Cys) as the precursor of nitrogen source, combined with commercial conductive carbon black, ferric chloride, through high temperature carbonization, and one step synthesis of a new N/S Co doped ORR catalyst C. /L-Cys/Fe. characterized the structure and morphology of the catalyst by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The results showed that the catalyst presented particle shape and the carbon layer had an ordered graphite structure. Combined with X ray photoelectron spectroscopy (XPS) data, it was found that the C/L-Cys /Fe catalyst prepared by us had different forms of N and S, which proved to use L- cysteine. As precursor, N/S Co doped ORR catalyst was successfully synthesized. The catalytic performance of the catalyst was tested by electrochemical methods. In alkaline medium, the catalyst C/L-Cys/Fe showed excellent catalytic activity and good stability, and could reach the same activity as commercial Pt/C catalyst in the case of high load. The K-L equation fit table. The catalytic oxygen reduction reaction of the Ming C/L-Cys/Fe is a four electron process, which can directly reduce O2 to H2O or OH-. It further illustrates that the catalyst has a high active.4, using bovine serum protein (BSA) as the precursor, carboxyl carbon nanotubes (CNT) as a carbon carrier and iron chloride, through heat treatment, to prepare a N/S Co doped ORR catalyst CNT/BSA/. The catalyst prepared by Fe. has excellent catalytic performance under the alkaline condition, which increases the load and its activity is close to the commercial Pt/C catalyst. Meanwhile, the catalyst also shows good stability. By calculating the K-L equation, the oxygen reduction reaction was found to be a four electron process.XPS data on the whole of the catalyst CNT/BSA/Fe. There is a catalyst in both pyridine nitrogen, graphite nitrogen and pyrrole nitrogen, and a trace amount of sulfur is also doped in different forms, which explains the reasons for the better performance of the catalyst.

【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36;TM911.4

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本文編號：1811101