能源是人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎,是國民經(jīng)濟的發(fā)展命脈。作為僅次于基因組計劃和超級材料之后的第三項尖端技術,燃料電池（Fuel cell）具有環(huán)境友好、啟動速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、運行安靜穩(wěn)定等特點,承載著人類高效率和零排放發(fā)電的夢想。質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）在移動電源和分散式電站領域擁有廣闊市場,備受關注。若想打破其大規(guī)模商業(yè)化障礙,需要尋找來源廣泛、價格低廉、氧還原催化性能好、穩(wěn)定性強的非鉑催化劑,這也是眾多科研人員的努力方向。因出色的穩(wěn)定性、可控的孔結構、高表面積和出色的電子導電性,碳材料在電化學能量轉(zhuǎn)換和存儲領域受到廣泛研究。通過引入雜原子的化學修飾方法能夠有效優(yōu)化碳的內(nèi)在結構、電子性能和幾何性質(zhì),產(chǎn)生大量吸附和催化活性位點�；诖�,本文制備了不同雜原子摻雜泡沫碳材料,通過一系列物理性能表征、微觀結構表征和電化學測試,探究它們的微觀形貌、鍵合成分等對氧還原催化性能的影響,解釋其優(yōu)異性能的原因。本文開展了如下一些工作:1.利用水解乙烯基咪唑鎓硝酸鹽（[Hvim]NO₃）作為發(fā)泡劑和... 

【文章來源】：江蘇大學江蘇省

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

燃料電池分類示意圖

江蘇大學碩士學位論文3可以選擇性傳導離子，氣體滲透性低，法拉第效率高。電解質(zhì)隔膜在達到一定強度的基礎上，越薄越好。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池中的電解質(zhì)隔膜是杜邦公司生產(chǎn)的全氟磺酸型質(zhì)子交換膜(Nafion膜)，售價高達500-800美元/m2。這種質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導率和含水率呈線性關系[2]。雙極板連接兩個單電池，有分隔氧化劑與還原劑、收集電流和疏導反應氣體的功能。雙極板上獨特的流場溝道可以將反應氣體均勻運送到電極表面各處，其性能取決于極板材料性質(zhì)、流場溝道圖案及其加工技術。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池上廣泛使用的雙極板材料是石墨、金屬和復合材料。圖1.2質(zhì)子交換膜燃料電池的結構Fig.1.2StructureofPEMFC1.2.2工作原理如圖1.3所示，以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，說明其工作原理。陽極處，氫氣在催化劑的作用下發(fā)生氧化反應，生成氫離子并給出自由電子。氫離子通過電解質(zhì)隔膜（質(zhì)子交換膜）由陽極運輸?shù)疥帢O，電子通過外電路經(jīng)用電器回到陰極。陰極處，氧氣（一般來源于空氣）在催化劑的作用下，與被傳遞過來的氫離子和電子發(fā)生還原反應，生成水。陽極半反應(HER)：2H2→4H++4e(1.1)陰極半反應(ORR)：O2+2H++2e→2H2O(1.2)總反應：2H2+O2→2H2O(1.3)這個過程中，陽極擴散層傳導燃料的電化學氧化產(chǎn)生的電流，陰極擴散層為氧的電化

雜原子摻雜泡沫碳的制備及其電催化性能研究4學還原輸送電子。質(zhì)子交換膜有選擇透過性，即允許氫離子因濃度梯度從陰極擴散至陽極，阻止電子通過。電子由外電路由陽極板運動至陰極板，電子的定向移動形成電流，外接用電器得以通電工作。圖1.3質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理Fig.1.3WorkingprincipleofPEMFC1.2.3性能受實際運行條件下過電位的影響，電池的工作電壓(實際輸出電壓V)總是低于其電動勢(可逆電壓Er)，并隨著放電電流的增加而逐漸減校通過質(zhì)子交換膜燃料電池的電流與電池端電壓的關系可用下式描述：V=ErηaηciRΩ(1.4)式中，ηa、ηc、i、RΩ分別為電池的陽極過電位、陰極過電位、電流、內(nèi)阻。電池內(nèi)阻包括電極材料、電解質(zhì)、電池連接材料等的歐姆電阻，以及電池材料之間的接觸電阻，經(jīng)結構優(yōu)化和材料優(yōu)化后主要由電解質(zhì)的歐姆電阻決定。陽極、陰極過電位由電催化活性和傳質(zhì)性能決定，通�？蛇M一步分為電化學反應導致的活化損耗和質(zhì)量傳輸導致的濃度損耗�；罨^電位是為了使電荷轉(zhuǎn)移反應能順利進行而施加的外部電勢，以便反應物突破活化能壘，按照一定速率進行反應�；罨^電位和電流密度的關系通過Bulter-Volmer方程描述：

【參考文獻】：
博士論文
[1]非貴金屬氧還原催化劑的設計合成及氧還原歷程研究[D]. 張曉華.中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所) 2018

碩士論文
[1]可聚合離子液體的合成研究[D]. 吳增華.云南大學 2017



本文編號：3370633