本文關鍵詞：基于聚酰亞胺高性能非貴金屬氧還原催化劑的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：燃料電池中大量使用產(chǎn)量有限,價格昂貴的貴金屬Pt作為氧還原催化劑使得燃料電池成本很高,從而阻礙了燃料電池工業(yè)化和商品化的過程。因此,為了降低電池的成本,促進其大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展,必須開發(fā)廉價的高性能的氧還原催化劑替代貴金屬Pt。在非貴金屬催化劑研究中,Fe/N/C結構的催化劑具有較好的氧還原性能,被認為最有希望取代Pt的新型廉價催化劑。三嗪結構聚合物是一種具有高比表面積和大量微孔結構的2D或者3D材料。這種聚合物在熱解過程中,可以使得含氮官能團更加均勻的分布在催化劑表面,這就擴大了電催化反應的界面,從而提高了催化劑的活性位點的表面密度,進而使得催化劑具有良好的氧還原性能。在本文中,我們利用三聚氰胺和均苯四甲基酸酐聚合生成的聚酰亞胺作為含氮前驅體制備氧還原催化劑。這種催化劑具有較高的含氮量以及大量的孔洞結構。因此具有較好的氧還原性能。首先,我們利用這種前驅體制備了碳載體支撐的Fe/N/C結構的催化劑。分別利用XC-72、EC300和BP2000三種碳黑作為載體,制備的碳載體支撐的催化劑：PI-Fe-XC, PI-Fe-EC和PI-Fe-BP。BET表征分析結果表明,催化劑PI-Fe-BP具有最高的比表面(624 m2·g-1)和最大的微孔面積(292m2.g-1)。電化學測試結果發(fā)現(xiàn)PI-Fe-BP表現(xiàn)出最好的氧還原性能,即具有最高的起始電位0.92V,最大的極限電流密度4.0 mA·cm-2以及最高的單電池功率密度310mW·cm-2。從上述表征結果發(fā)現(xiàn),碳載體在催化劑制備過程中起到模板的作用,隨著碳載體比表面的提高,催化劑的比表面逐漸增大；催化劑高比表面和孔隙率促進催化劑對氧氣的吸附,擴大氧還原反應界面；與此同時,高比表面和大量的孔洞結構使得催化劑具有較高的活性位密度,擴大了氧氣與活性位點的接觸面積進而提高了催化劑的氧還原性能。為了提高催化劑活性位密度,我們利用熔融鹽法制備了自支撐的Fe/N/C催化劑。通過改變?nèi)廴邴}與前驅體質量比,分別為15：1,25：1和50：1,制備了三種催化劑分別為GNP 151、GNP_25_1和GNP_50_1。電化學表征分析發(fā)現(xiàn),催化劑GNP_50_1在0.65 V-0.75 V的電勢范圍內(nèi)觀察到強還原峰；催化劑GNP_15_1具有最高的起始電位0.97V。BET表征結果發(fā)現(xiàn),催化劑GNP_50_1具有最大的比表面積和孔體積密度,分別為1230.6 m2.g-1和0.67 cm3.g-1；拉曼光譜分析表明,催化劑GNP_50_1的G峰和D峰的比值IG/ID的比值最大,為1.08。結合表征結果可以發(fā)現(xiàn)催化劑的比表面以及微孔數(shù)量隨著熔融鹽比例的增加而提高,熔融鹽催化劑制備過程中起到分子模板作用：前驅體在熔融鹽的液相環(huán)境中反應并碳化避免了碳材料的團聚。微孔數(shù)量的增加使得材料對氧氣的吸附能力增強,從而使得催化劑的還原峰逐漸增強,所以GNP_50_1的還原峰最強；拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn),隨著熔鹽比例的提高,石墨化程度降低了,微孔的增加破壞了催化劑的結構完整性從而降低了催化劑的導電性,所以使得催化劑的起始電位隨著熔融鹽比例的增大而降低。
【關鍵詞】：質子交換膜燃料電池 電催化 氧還原 非貴金屬催化劑 聚酰亞胺
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36;TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-42
• 1.1 燃料電池概述12-15
• 1.1.1 燃料電池12-13
• 1.1.2 質子交換膜燃料電池13-15
• 1.1.3 質子交換膜燃料電池劣勢15
• 1.2 陰極非貴金屬氧還原催化劑進展15-16
• 1.3 M-Nx/C最新的研究進展16-32
• 1.3.1 非熱解型催化劑16-21
• 1.3.2 熱解型催化劑21-32
• 1.4 本文研究的思路和意義32-34
• 參考文獻34-42
• 第二章 實驗藥品、儀器及表征方法42-48
• 2.1 實驗藥品和儀器42-43
• 2.1.1 實驗藥品和試劑42-43
• 2.1.2 實驗儀器43
• 2.2 催化劑物相表征43-44
• 2.2.1 粉末X射線衍射儀(XRD)43
• 2.2.2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)43-44
• 2.2.3 射電子顯微鏡(TEM)44
• 2.2.4 比表面積和孔分布44
• 2.2.5 X射線光電子能譜(XPS)44
• 2.3 半電池表征44-45
• 2.3.1 漿料配置44-45
• 2.3.2 氧還原測試45
• 2.4 單電池表征45-48
• 2.4.1 MEA制備45-46
• 2.4.2 單電池測試46-48
• 第三章 碳載體支撐催化劑氧還原性能影響因素的研究48-62
• 3.1 引言48-49
• 3.2 實驗過程49-50
• 3.3 結果與討論50-59
• 3.3.1 TEM和XRD表征50-51
• 3.3.2 催化劑BET分析51
• 3.3.3 催化劑電化學性能以及比表面對氧還原性能的影響51-53
• 3.3.4 不同熱處理溫度下的氧還原性能53
• 3.3.5 不同熱處理溫度下的催化劑的XRD和XPS表征分析53-56
• 3.3.6 催化劑氧還原催化機理分析56-57
• 3.3.7 本章小結57-59
• 參考文獻59-62
• 第四章 自支撐氧還原催化劑的催化性能影響因素的研究62-74
• 4.1 引言62-63
• 4.2 實驗過程63-64
• 4.3 結構與討論64-74
• 4.3.1 GNP系列催化劑的微觀形貌表征64-65
• 4.3.2 GNP系列催化劑的XPS以及XRD表征分析65-67
• 4.3.3 GNP系列催化劑的氧還原性能分析67-69
• 4.3.4 GNP系列催化劑的N_2/O_2吸脫附分析69-71
• 4.3.5 GNP系列催化劑拉曼光譜、O_2程序升溫脫附以及熱重分析71-72
• 4.3.6 GNP系列催化劑單電池性能72-73
• 4.3.7 本章小結73-74
• 參考文獻74-77
• 第五章 結論與展望77-79
• 碩士期間發(fā)表的論文79-80
• 致謝80-81

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