貴金屬催化劑是燃料電池最理想的催化劑,但是它原料稀缺,價格高昂,阻礙了燃料電池的大面積推廣。因此,開發(fā)高活性和高穩(wěn)定性的低成本催化劑在燃料電池應(yīng)用中十分重要。到目前為止,一些非貴金屬催化劑已經(jīng)在燃料電池應(yīng)用中展現(xiàn)了很多優(yōu)點,如高的催化活性,良好的穩(wěn)定性以及優(yōu)異的抗有機小分子滲透能力。尤其是金屬碳化物復(fù)合催化劑作為非貴金屬有巨大的潛力實現(xiàn)催化劑的商業(yè)化發(fā)展。此外,由于稀土元素有著多方面的催化性能,已有多種稀土元素用于制備催化劑和助催化劑并取得可喜的結(jié)果。但是對稀土金屬碳化物的研究卻很少,因此將稀土碳化物復(fù)合催化劑應(yīng)用于燃料電池陰極氧還原是實現(xiàn)燃料電池商業(yè)化的可行方法之一。因此,本論文以制備高效、低成本的催化劑為主要目的,以稀土金屬碳化物為出發(fā)點,復(fù)合氮摻雜碳材料,制備無貴金屬的高效穩(wěn)定的催化劑。采用物理測試手段對制備得到的催化劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。同時,也采用電化學(xué)測試手段,探究其在氧還原反應(yīng)中的電化學(xué)性能。主要研究內(nèi)容分為以下三個部分:第一部分嵌入型碳化鈰(Ce Cx-NC)復(fù)合催化劑的制備及其氧還原應(yīng)用金屬碳化物因為有與貴金屬相似的d帶電子密度而呈現(xiàn)出類似貴金屬的催化活性。在這一部分選用三聚氰胺甲醛樹脂和稀土元素的硝酸鹽為反應(yīng)前體,通過高溫碳化的方法制備出嵌入型碳化鈰(Ce Cx-NC)復(fù)合催化劑。并研究了該催化劑在堿性介質(zhì)中的氧還原反應(yīng)(ORR)催化性能。和商業(yè)化的Pt/C催化劑相比,Ce Cx-NC催化劑對ORR過程顯示了很高的電催化活性,其半波電位幾乎等于商業(yè)化Pt/C的半波電位,有近4e-的電子轉(zhuǎn)移數(shù)目,以及很好的毒性耐久性和循環(huán)穩(wěn)定性。這種稀土金屬碳化物為陰極氧還原催化劑的選擇開辟了一種新的方向。第二部分干法制備雙稀土金碳化物復(fù)合催化劑及其氧還原應(yīng)用雙金屬碳化物除了有一般金屬碳化物的特點外,它們還有一些特殊的性能,比如,它們本身固有的穩(wěn)定性以及不同金屬之間的協(xié)同作用。在這一部分通過一種普通固相研磨的制備方法,制備雙稀土金屬碳化物復(fù)合催化劑作為ORR催化劑。通過對兩種金屬比例,以及碳化溫度的調(diào)控,發(fā)現(xiàn)其中鈰與鑭質(zhì)量比為1:2,碳化溫度為1000℃時制備的NC-Ce La2Cx-1000催化劑有很好的催化性能,有比商業(yè)化Pt/C催化劑更強的抗毒化能力以及更強的循環(huán)穩(wěn)定性。雙稀土金屬碳化物復(fù)合催化劑將是一種有前景的ORR催化劑。第三部分濕法制備雙稀土碳化物復(fù)合催化劑及其氧還原應(yīng)用簡單高效的催化劑制備方法對燃料電池的發(fā)展是至關(guān)重要的。在這一部分優(yōu)化了第三章制備催化劑的方法,用一種簡單液相反應(yīng)的方法,制備雙稀土金屬碳化物作為ORR催化劑,該催化劑(Ce La2Cx-NC)是以鄰苯二甲酸酐,三聚氰胺以及稀土金屬(Ce和La)為反應(yīng)前體,Ce La2Cx-NC催化劑在氧還原催化過程中有很好的電催化活性,很好的抗甲醇,CO毒化性能力以及優(yōu)越于商業(yè)化Pt/C穩(wěn)定性的特征。這種雙稀土碳化物復(fù)合催化劑的制備方式簡單,在燃料電池催化劑應(yīng)用中擁有很好的前景。
【學(xué)位單位】：西北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;TM911.4
【部分圖文】：

Fig.1.1 Fuel cell component[9].圖 1.1 燃料電池組件[9]。般來講,燃料電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理都是相似的。燃料電池主極催化劑、雙極板和質(zhì)子交換膜等重要部分組成。這些部件可以直

Fig.1.7 Fabrication of G-based carbon nitride (G-CN) and CN nanosheets[4圖 1.7 石墨烯基氮化碳和氮化碳納米片的合成示意圖[44]。屬復(fù)合的催化劑素概述在元素周期表中是一個大家族，它包括第三副族中的、釹(Nd）、钷(Pm）、釤(Sm）、銪(Eu）、釓(Gd）、鋱(Tr）、銩(Tm）、鐿(Yb）、镥(Lu）15 個元素，還包括和它(Y)共 17 種元素。大多數(shù)稀土元素沒有 5d 軌道電子（子排布為 4fn5d25p6。從電子結(jié)構(gòu)看, 稀土元素的 5d 軌道可以為催化反應(yīng)提供良好的電子轉(zhuǎn)移路徑。因此稀為優(yōu)異的催化性能，有著極為廣泛的用途，被認(rèn)為是“。在我國，稀土礦產(chǎn)資源相對較豐富，有開采價值的儲

2.3 結(jié)果與討論2.3.1 物理表征TEM 測試用來表征 CMF 和 CeCx-NC 催化劑的形貌和納米顆粒尺寸。如圖2.1 a 所示，碳化的三聚氰胺樹脂(CMF)呈現(xiàn)出明顯的碳的褶皺層，插圖中對應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖(SAED)表明 CMF 催化劑擁有多晶的結(jié)構(gòu)。如圖 2.1 b 所示，CeCx-NC 催化劑表面有大量 CeCx納米顆粒，這些納米顆粒均勻分散在碳層，沒有明顯的團聚現(xiàn)象，其直徑大約為 20~50 nm，插圖中對應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖(SAED)表明 CeCx-NC 催化劑同樣擁有多晶的結(jié)構(gòu)。由此可見，通過加入稀土金屬，在碳化過程中改變了 CMF 的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)。從插圖 2.1a 中計算出晶格間距 d =0.34 nm, 與碳的(002)晶面相吻合，從插圖 2.1 b 中計算出晶格間距 d = 0.33 nm,0.29 nm,與 CeC2(101)晶面(PDF 04-0711)和 CeN (111)晶面 (PDF 65-8905) 相吻合。對 CMF 和 CeCx-NC 催化劑采用 XRD 表征
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王麗娟;在石墨及聚酞菁化合物電極上氧還原的電催化[J];催化學(xué)報;1988年01期

2 吳智遠(yuǎn);周運鴻;高榮;;二氧化錳對氧還原的電催化行為[J];武漢大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1988年03期

3 郝佳瑜;劉易斯;李文章;李潔;;形貌可控的鉑類貴金屬氧還原電催化劑研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報;2019年01期

4 杜誠;高小惠;陳衛(wèi);;銅基非貴金屬氧還原電催化劑的研究進(jìn)展（英文）[J];催化學(xué)報;2016年07期

5 王瀛;張麗敏;胡天軍;;金屬空氣電池陰極氧還原催化劑研究進(jìn)展[J];化學(xué)學(xué)報;2015年04期

6 黃幼菊;李偉善;黃青丹;李偉;張慶龍;蔣臘生;;氫鉬青銅對鉑催化氧還原反應(yīng)的促進(jìn)作用[J];高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報;2007年05期

7 余希立;李平;鄭俊生;吳云霞;周興貴;;不同微結(jié)構(gòu)納米碳纖維電極的氧還原性能[J];華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2007年06期

8 苗鶴;薛業(yè)建;周旭峰;劉兆平;;石墨烯基氧還原催化劑在金屬空氣電池中的應(yīng)用[J];化學(xué)進(jìn)展;2015年07期

9 陳潔;高建民;;摻雜碳材料用于氧還原反應(yīng)中的研究進(jìn)展[J];廣州化工;2015年21期

10 楊偉;陳勝洲;鄒漢波;林維明;;氮摻雜非貴金屬氧還原催化劑研究進(jìn)展[J];化工進(jìn)展;2010年11期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 劉柏辰;氮摻雜碳氧還原催化劑的制備及其性能研究[D];華南理工大學(xué);2018年

2 鄧怡杰;高性能碳基非貴金屬催化劑的制備及氧還原性能研究[D];華南理工大學(xué);2018年

3 張曉華;非貴金屬氧還原催化劑的設(shè)計合成及氧還原歷程研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所);2018年

4 曾黎明;基于氧還原和析出反應(yīng)的金屬復(fù)合催化劑設(shè)計和制備[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所);2018年

5 趙宇;新型碳基無金屬氧還原電催化劑的制備及其作用機理研究[D];南京大學(xué);2013年

6 Syed Shoaib Ahmad Shah;金屬有機框架（MOF）衍生的非貴金屬氧還原催化劑的研究[D];重慶大學(xué);2018年

7 艾可龍;非貴金屬氧還原反應(yīng)催化劑的可控制備及催化應(yīng)用研究[D];吉林大學(xué);2018年

8 王海濤;鈷、鐵改性氮摻雜碳基氧還原電催化劑的制備及性能研究[D];華中科技大學(xué);2018年

9 張雙雙;非鉑類高效氧還原催化劑設(shè)計及性能研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所);2017年

10 崔超男;電化學(xué)二氧化碳還原和氧還原的密度泛函理論研究[D];天津大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 宋俊楠;碳化聚苯胺構(gòu)建“摻雜碳層包覆稀土氧化物”復(fù)合電催化材料及其氧還原性能研究[D];西北師范大學(xué);2018年

2 周廷生;氮摻雜空心碳球的制備及其電催化氧還原性能研究[D];上海理工大學(xué);2017年

3 陳琳琳;鈷@雜原子摻雜碳基復(fù)合材料的制備及其氧還原性能研究[D];華中科技大學(xué);2018年

4 薛守媛;稀土碳化物復(fù)合催化體系的構(gòu)筑及其氧還原應(yīng)用[D];西北師范大學(xué);2018年

5 王啟晨;Fe-N-C類型催化劑的制備及其電催化氧還原性能研究[D];中南林業(yè)科技大學(xué);2018年

6 劉一玲;高效碳基電催化氧還原材料的設(shè)計和在鋅空電池中的應(yīng)用[D];蘇州大學(xué);2018年

7 張瑩瑩;含錳硫族簇基晶態(tài)材料的合成及氧還原催化性能研究[D];蘇州大學(xué);2018年

8 張亨博;雜原子摻雜碳/過渡金屬復(fù)合材料的設(shè)計制備及氧還原性能研究[D];河南師范大學(xué);2018年

9 范寶法;鐵/鈷/氮摻雜碳基材料的合成及其在氧還原中的應(yīng)用[D];河南師范大學(xué);2018年

10 黃秋嬋;碳納米管負(fù)載鉑-金屬氮化物催化劑結(jié)構(gòu)及氧還原性能研究[D];廣州大學(xué);2018年

本文編號：2892942