發(fā)布時(shí)間：2021-02-24 03:44

　　氧還原反應(yīng)（Oxygen Reduction Reaction,ORR）作為清潔能源轉(zhuǎn)換裝置如燃料電池的陰極反應(yīng),起著至關(guān)重要的作用。然而其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢、Pt/C催化劑價(jià)格昂貴、易中毒等限制了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用,因此研發(fā)低成本、高效穩(wěn)定的非貴金屬催化劑尤為重要,這引起了材料化學(xué)家的廣泛關(guān)注。近年來,晶態(tài)金屬-有機(jī)框架化合物（Metal-Organic Frameworks,MOFs）因其具有可調(diào)的化學(xué)組成、孔結(jié)構(gòu)、形貌特征和均勻的雜原子分布等特點(diǎn),因此以MOFs為前驅(qū)體/模板衍生的雜原子摻雜多孔碳材料繼承了其優(yōu)點(diǎn),能顯著提升氧還原催化活性而受到重視�；诖�,我們采用一系列不同的MOFs材料作為前驅(qū)體,制備了不同的雜原子摻雜多孔碳材料,并研究了其在ORR反應(yīng)中的性能。研究的主要內(nèi)容如下:1.MOFs前驅(qū)體的形貌盡管會(huì)對其衍生的碳材料的性能產(chǎn)生影響,然而目前仍然沒有系統(tǒng)研究MOFs形貌與相應(yīng)碳材料結(jié)構(gòu)性能之間關(guān)系的報(bào)道。我們以球狀、多面體和棒狀三種形貌的沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)材料ZIF-7作為前驅(qū)體,制備了不同形貌、孔特征和比表面積的氮摻雜碳材料,并系統(tǒng)研究了形貌對碳材料結(jié)構(gòu)和氧還原催化活性的... 

【文章來源】：福建師范大學(xué)福建省

【文章頁數(shù)】：81 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖0-1可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換示意圖

福建師范大學(xué)伍巧碩士學(xué)位論文-2-成本較高、長期穩(wěn)定性欠佳以及氫燃料儲(chǔ)存相關(guān)技術(shù)有待提高[9,10]。在燃料電池陰極中，由于使用了大量的鉑催化劑來促進(jìn)動(dòng)力學(xué)緩慢的陰極氧還原反應(yīng)[11]，因此成本較高。據(jù)報(bào)道，在新型燃料電池總成本中鉑基金屬(Platinum-GroupMetal,PGM)電催化劑大約占到45%[9]。美國能源部(USDepartmentofEnergy,DOE)數(shù)據(jù)顯示，到2025年質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton-Exchange-MembraneFuelCells,PEMFC)的成本應(yīng)大幅降低至$35kW-1的目標(biāo)[12]。所以，研發(fā)制備低成本、高活性和穩(wěn)定性好的非貴金屬催化劑成為關(guān)鍵。第二節(jié)燃料電池清潔能源中的燃料電池不經(jīng)過燃料燃燒的過程，可以直接把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)成電能。因此，具有使用方便、對環(huán)境友好幾乎無污染、無噪音，尤其是轉(zhuǎn)化能量效率高、儲(chǔ)存能量大，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。0.2.1燃料電池的組成及工作原理燃料電池主要由陽極、陰極和電解質(zhì)組成。堿性燃料電池(AlkalineFuelCells,AFC)得到了快速發(fā)展，如圖0-2所示，在堿性燃料電池中，陰極發(fā)生反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-，氧氣作為反應(yīng)物被還原為OH-，并穿過陰離子交換膜到達(dá)陽極。氫氣在陽極作為燃料與OH-反應(yīng)得到電子和生成H2O(2H2+4OH-→4H2O+4e-)。電子通過外部電路轉(zhuǎn)移到陰極，氫氧根離子通過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極。陽極和陰極均由碳載體負(fù)載的高分散鉑基催化劑組成，以促進(jìn)氫氧化反應(yīng)(HydrogenOxidationReaction,HOR)和氧還原反應(yīng)(ORR)。圖0-2燃料電池工作原理示意圖。Fig.0-2Schematicdiagramoffuelcellworkingprinciple.

福建師范大學(xué)伍巧碩士學(xué)位論文-4-圖0-3燃料電池種類示意圖。Fig.0-3TheSchematicdiagramoffuelcelltypes.燃料電池被用到很多領(lǐng)域，例如小汽車、移動(dòng)手機(jī)、平板電腦等。前三種燃料電池基本上需要向陽極提供相對純的氫氣，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，而且降低了系統(tǒng)的整體效率，使用碳?xì)浠衔锘蚓凭剂蟿t需要在系統(tǒng)中加入外部燃料處理器。相比之下，熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池在較高的溫度下一氧化碳和氫氣都可以在陽極上被電化學(xué)氧化。而且，燃料處理反應(yīng)可以在堆疊內(nèi)完成，這使得創(chuàng)新的熱集成/管理設(shè)計(jì)功能能夠提供優(yōu)異的系統(tǒng)效率大約~50%[17]。0.2.3面臨的挑戰(zhàn)人們認(rèn)為燃料電池是理想的清潔可再生能源，具有儲(chǔ)能效率高和環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)。燃料電池反應(yīng)不僅涉及到電化學(xué)，也會(huì)涉及到材料學(xué)，熱力學(xué)等多學(xué)科相關(guān)的理論知識(shí)，要將燃料電池大規(guī)模應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域仍然需要不斷改進(jìn)技術(shù)。目前，主要面臨以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)。(1)降低催化劑的成本陰極緩慢的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)需要大量的鉑基催化劑。但鉑系貴金屬催化劑仍然存在成本高、富集度低、穩(wěn)定性差、易發(fā)生一氧化碳中毒等關(guān)鍵問題。這些瓶頸阻礙了燃料電池的廣泛商業(yè)化應(yīng)用。因此，在不影響性能的情況下，降低鉑負(fù)載，或者尋

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]具有痕量鈷摻雜且暴露更多邊緣活性的N,P共摻雜的多孔碳納米片作為高效氧還原催化劑（英文）[J]. 嚴(yán)大峰,郭蘭,謝超,王燕勇,李云霄,李浩,王雙印.  Science China Materials. 2018(05)



本文編號(hào)：3048730