燃料電池是一種理想的能量轉(zhuǎn)換裝置,它能以高效、清潔的方式將存儲在可再生能源中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能,但其傳統(tǒng)的陰極氧還原電催化劑的成本高,壽命短,因此,開發(fā)低成本、高活性、高穩(wěn)定性的替鉑氧還原催化劑顯得尤為重要。近年來,非貴金屬碳基氧還原催化劑吸引了許多研究者的關(guān)注,它被認為是目前最有希望替代貴金屬鉑系催化劑應(yīng)用于商業(yè)燃料電池中的一類催化劑。其中,以碳材料為主體,對其進行的非貴金屬元素摻雜、非金屬元素摻雜,以及純碳缺陷催化劑更是引起了學(xué)術(shù)界的廣泛興趣。然而,新催化劑的開發(fā)多采取傳統(tǒng)的試錯法,耗時費力,加上對催化劑活性起源的有限認知,極大地約束了氧還原催化劑的進一步發(fā)展。本文的工作主要以碳材料為主體,并致力于開發(fā)不同于傳統(tǒng)的方法以制備碳基非貴金屬催化劑,追求材料的精確可控合成以及探索材料中可能的活性位結(jié)構(gòu),嘗試從微觀層面揭示催化劑性能提升的本質(zhì)。本研究首先發(fā)展了一種不同以往的摻N方式,設(shè)計出一種范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的g-C₃N₄@GO凝膠,它是利用g-C₃N₄與GO片層之間的π-π相互作用、范德華力作用和氫... 

【文章來源】：重慶大學(xué)重慶市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：124 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
中文摘要
英文摘要
1 緒論
    1.1 引言
    1.2 燃料電池簡介
        1.2.1 發(fā)展簡史
        1.2.2 燃料電池分類和工作原理
        1.2.3 燃料電池的組成結(jié)構(gòu)
    1.3 燃料電池空氣電極的氧還原反應(yīng)
        1.3.1 氧還原反應(yīng)途徑
        1.3.2 氧還原反應(yīng)機理
    1.4 燃料電池氧還原電催化劑的研究進展
        1.4.1 貴金屬氧還原催化劑
        1.4.2 非貴金屬氧還原催化劑
        1.4.3 非金屬氧還原催化劑
    1.5 本文的選題意義和主要研究內(nèi)容
2 實驗部分
    2.1 實驗試劑與材料
    2.2 實驗儀器
    2.3 催化劑電極的制備及氧還原測試
        2.3.1 催化劑電極的制備方法
        2.3.2 氧還原性能測試方法
    2.4 催化劑的表征方法
        2.4.1 X射線衍射分析方法
        2.4.2 X射線熒光光譜
        2.4.3 X射線光電子能譜
        2.4.4 掃描電子顯微鏡
        2.4.5 透射電子顯微鏡
        2.4.6 氮吸脫附比表面測試
        2.4.7 熱重分析
        2.4.8 拉曼光譜
        2.4.9 紅外光譜
        2.4.10 電感耦合等離子體發(fā)射光譜
3 N摻雜石墨烯水凝膠催化劑的研究
    3.1 引言
    3.2 樣品制備
        3.2.1 氧化石墨烯(GO)的制備
        3.2.2 g-C_3N_4 的制備
        3.2.3 N摻雜石墨烯水凝膠(g-C_3N_4@GO)的制備
        3.2.4 N摻雜石墨烯納米片(NGS)的制備
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 g-C_3N_4與GO的作用機理
        3.3.2 催化劑的形貌表征
        3.3.3 催化劑的組成結(jié)構(gòu)表征
        3.3.4 催化劑的表面元素表征
        3.3.5 催化劑的氧還原活性
        3.3.6 催化劑的動力學(xué)過程
        3.3.7 催化劑的穩(wěn)定性和耐甲醇性
        3.3.8 氮含量對催化劑的影響
        3.3.9 熱解溫度對催化劑的影響
    3.4 本章小結(jié)
4 N/S共摻雜改性乙炔黑催化劑的研究
    4.1 引言
    4.2 樣品制備
        4.2.1 氧化乙炔黑(OAB)的制備
        4.2.2 還原氧化乙炔黑(rOAB)的制備
        4.2.3 S摻雜氧化乙炔黑(OAB@S)的制備
        4.2.4 N/S共摻雜乙炔黑(OAB@S-N)的制備
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 催化劑的形貌表征
        4.3.2 催化劑的組成結(jié)構(gòu)表征
        4.3.3 催化劑的表面元素表征
        4.3.4 催化劑的氧還原活性
        4.3.5 催化劑的動力學(xué)過程
        4.3.6 催化劑的穩(wěn)定性和耐甲醇性
    4.4 本章小結(jié)
5 缺陷碳微球催化劑的研究
    5.1 序言
    5.2 樣品制備
        5.2.1 碳微球(CSs-900)催化劑的制備
        5.2.2 不同反應(yīng)物比例下碳微球的制備
        5.2.3 不同溶解熱時間下碳微球的制備
    5.3 結(jié)果與討論
        5.3.1 催化劑的形成機理
        5.3.2 反應(yīng)物比例對CSs的影響
        5.3.3 溶劑熱時間對CSs的影響
        5.3.4 催化劑的形貌表征
        5.3.5 催化劑的組成結(jié)構(gòu)表征
        5.3.6 催化劑的表面元素表征
        5.3.7 催化劑的氧還原活性
        5.3.8 催化劑的動力學(xué)過程
        5.3.9 催化劑的穩(wěn)定性和耐甲醇性
    5.4 本章小結(jié)
6 微量金屬雜質(zhì)對碳基催化劑的影響
    6.1 序言
    6.2 樣品制備
        6.2.1 Hummers法制備氧化乙炔黑
        6.2.2 酸刻蝕氧化乙炔黑
        6.2.3 Hofmann法制備氧化乙炔黑
    6.3 結(jié)果與討論
        6.3.1 催化劑的組成結(jié)構(gòu)表征
        6.3.2 Mn含量對催化劑性能的影響
        6.3.3 催化結(jié)構(gòu)的形成機理
        6.3.4 催化劑的形貌表征
        6.3.5 催化劑的表面元素表征
        6.3.6 催化劑的動力學(xué)過程
        6.3.7 催化劑的穩(wěn)定性
    6.4 本章小結(jié)
7 結(jié)論、創(chuàng)新與展望
    7.1 主要結(jié)論
    7.2 主要創(chuàng)新
    7.3 后續(xù)展望
參考文獻
附錄
    A 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄
    B 作者在攻讀博士學(xué)位期間承擔(dān)和參與的科研項目
    C 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集
致謝



本文編號：3195054