化石燃料燃燒產(chǎn)生大量溫室氣體與煙塵,為了減少污染,人們開始廣泛研究質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)并將其應(yīng)用在各方面。燃料電池是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,它具有高效、零排放、運(yùn)行過程無噪音等特點(diǎn)。人們普遍認(rèn)為,燃料電池可以有效解決能源問題。其中,質(zhì)子交換膜燃料電池具有操作溫度低、啟動(dòng)快速等優(yōu)點(diǎn),受到人們廣泛關(guān)注。近年來,科研工作者們在研究如何提高燃料電池效率方面做了大量努力。目前,在質(zhì)子交換膜燃料電池中性能最好的催化劑是鉑基催化劑,鉑粒子尺寸和在載體上的分布情況都能影響催化性能。由于鉑資源匱乏、價(jià)格昂貴,質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用受到限制。一個(gè)理想的燃料電池催化劑載體應(yīng)具備以下特性:有可用來分散活性組分的較大比表面積;有可耐腐蝕的良好化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性和極好的導(dǎo)電性。我們致力于合成新型碳材料載體來替代商業(yè)上炭黑載體,本文研究了三種應(yīng)用于燃料電池電催化的碳材料,總結(jié)如下:第一,本文以提高燃料電池催化劑鉑的利用率和穩(wěn)定性為目標(biāo),在靜電自組裝作用下,將碳納米管作為“墊片”嵌入石墨烯片層中。該催化劑形成了三維“三明治”結(jié)構(gòu),減少了石墨烯堆垛現(xiàn)象,有良好的催化活性。本文通過X射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜(Raman)、比表面積分析(BET)等測試對(duì)催化劑進(jìn)行表征。研究發(fā)現(xiàn),在靜電自組裝作用下,帶負(fù)電荷的碳納米管與帶正電荷的Pt/rGO(鉑負(fù)載在還原的氧化石墨烯載體上)形成有序納米結(jié)構(gòu)。與Pt/rGO相比,優(yōu)化后Pt/rGO-CNT的電化學(xué)表面積(ESA)有提高,同時(shí),鉑的利用率提高為92%。與商業(yè)鉑碳催化劑相比,制備的復(fù)合催化劑的穩(wěn)定性顯著提高,如:在0.5M的硫酸溶液中,在-0.2~1.0 V電壓下掃2000圈的循環(huán)伏安后,制備的催化劑的電化學(xué)活性面積還剩61%,但相同條件下,商業(yè)Pt/C催化劑的電化學(xué)活性面積僅剩下19%。第二,本文用一步水熱法制得碳質(zhì)外殼封裝平均尺寸為4.9 nm銅納米粒子(Cu@C)催化劑。在500℃氫氣氛圍下,將制備好的Cu@C進(jìn)行熱處理,然后在化學(xué)氣相沉積(CVD)進(jìn)程中催化分解碳的前驅(qū)體。由于高溫條件限制了包覆在碳中銅催化劑長大,這有利于產(chǎn)生直徑小(42nm)且均勻分布的疊杯狀碳納米管(CSCNTs)。通過XRD、TEM、SEM、Raman、BET等表征手段對(duì)該材料進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)控碳包覆金屬催化劑中金屬粒子尺寸大小與分散情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)CSCNTs直徑尺寸與分布情況的調(diào)控。因?yàn)榭臻g限制導(dǎo)致CVD反應(yīng)的熱量未散出,所以優(yōu)化后的合成溫度為600℃,低于常規(guī)碳納米管的合成溫度。同時(shí),本文將鉑釕雙納米粒子負(fù)載在CSCNTs上,可將其用作燃料電池催化劑。第三,本文以水合肼為氮源,采用水熱法制得摻雜氮的石墨烯材料(比表面積為203 m~2g~(-1))。通過用XRD、Raman、XPS、BET等多種手段對(duì)其進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)摻雜氮原子,可以有效減少石墨烯材料的團(tuán)聚,且產(chǎn)生一些相互連通開放的空隙片層狀石墨烯。同時(shí),XPS表明樣品中氮元素成功摻雜到材料中,N-6(吡啶氮)和N-Q(石墨氮)分別和2個(gè)或3個(gè)sp~2雜化的C原子結(jié)合成鍵,可以向?qū)щ姷摩?系統(tǒng)提供一對(duì)電子。它們都可以引入不止一個(gè)電子進(jìn)入π-系統(tǒng),而大大提高rGO層的電導(dǎo)率。因此,它提供了一種高效的電荷運(yùn)輸途徑,而且為高效離子吸附/脫附提供豐富活性位點(diǎn),揭示其在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的巨大潛力。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;TM911.4
【部分圖文】：

圖 1-1 DMFCs 的工作原理圖Fig 1-1 The schematic diagram of DMFCs1.1.2 甲醇的電催化氧化機(jī)理甲醇電催化氧化機(jī)理可簡單分為吸附過程和催化氧化過程，主要涉及[3, 4]：① 甲醇吸附且逐步脫質(zhì)子成為含碳中間產(chǎn)物；② 解離水產(chǎn)生含氧物種，氧化除去含碳中間產(chǎn)物；③ 產(chǎn)物轉(zhuǎn)移：質(zhì)子傳遞到催化劑/電解質(zhì)界面，電子轉(zhuǎn)移到外電路，二氧化碳排出等。圖 1-2 是甲醇在鉑電極表面電氧化過程的圖解[4]，其電催化氧化主要包括以下步驟：

圖 1-2 甲醇在鉑電極表面的電氧化機(jī)理Fig 1-2 The electrooxidation mechanism of methanol on the surface of Pt electrode1.1.3 PEMFC 的機(jī)遇與挑戰(zhàn)為了滿足人類未來能源需求，環(huán)境友好型、可持續(xù)發(fā)展的能源比化石燃料更受人們的青睞[11]。PEMFCs 作為一種理想的解決能源緊缺問題的裝置備受關(guān)注，因?yàn)榫哂袩o污染、高能效的優(yōu)點(diǎn)[12]，同時(shí)，還具有在室溫下快速啟動(dòng)、無電解液流失、易排出、比功率與比能量高等突出特點(diǎn)。PEMFCs 為世界能源帶來希望，在交通、信、軍事、航天等領(lǐng)域都擁有巨大應(yīng)用前景。PEMFCs 的電極由擴(kuò)散層和催化層組成，其中催化層與質(zhì)子交換膜的界面是電學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所。催化劑是 PEMFCs 最關(guān)鍵的材料之一，其功能是加速電極與電質(zhì)界面上電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，從而影響電池系統(tǒng)的性能和壽命。用作商業(yè)PEMFCs 仍然受到較高價(jià)格的限制，主要原因是：新的商用鉑或鉑基催化劑仍具有

第一章 緒論已經(jīng)證明了 CSCNTs 負(fù)載的催化劑在燃料電池應(yīng)用催化性能有提高，如：Endo 等[30]成功地將鉑納米粒子負(fù)載在 CSCNTs 上，由于金屬前驅(qū)體和疊杯狀碳納米管的石墨烯邊緣的強(qiáng)相互作用，鉑均勻分散在載體外部與內(nèi)部。Li 等[31]在這些催化劑基礎(chǔ)上制備了鉑負(fù)載在疊杯狀碳納米纖維上和膜電極組件(MEA)，它比以碳黑為載體的 MEA 表現(xiàn)出更好的性能。除了將 CSCNTs 用作催化劑載體，它也可以被用在超級(jí)電容器和鋰離子電池上。Jang 等[32]研究表明，CSCNTs 外表面完全暴露的活性邊緣位點(diǎn)，對(duì)超級(jí)電容器電化學(xué)性能的提高有很大貢獻(xiàn)。(a) (b)
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 賴奇;羅學(xué)萍;;氧化石墨烯的制備和定性定量分析[J];材料研究學(xué)報(bào);2015年02期

2 俞紅梅;衣寶廉;;車用燃料電池現(xiàn)狀與電催化[J];中國科學(xué):化學(xué);2012年04期

3 吳德海,朱宏偉,張先鋒,李延輝,韋進(jìn)全,李雪松,郝東暉;碳納米管的制備與應(yīng)用[J];清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2003年05期

本文編號(hào)：2891227