能源是人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國民經(jīng)濟(jì)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(shù),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(yùn)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(lǐng)域擁有廣闊市場,備受關(guān)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(qiáng)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(jié)構(gòu)、高表面積和出色的電子導(dǎo)電性,碳材料在電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和存儲領(lǐng)域受到廣泛研究。通過引入雜原子的化學(xué)修飾方法能夠有效優(yōu)化碳的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)表征和電化學(xué)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(xué)江蘇省

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

燃料電池分類示意圖

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文3可以選擇性傳導(dǎo)離子，氣體滲透性低，法拉第效率高。電解質(zhì)隔膜在達(dá)到一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)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(dá)500-800美元/m2。這種質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率和含水率呈線性關(guān)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(dǎo)反應(yīng)氣體的功能。雙極板上獨特的流場溝道可以將反應(yīng)氣體均勻運(yùn)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(shù)。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(fù)合材料。圖1.2質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)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(yīng)，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(yùn)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(yīng)，生成水。陽極半反應(yīng)(HER)：2H2→4H++4e(1.1)陰極半反應(yīng)(ORR)：O2+2H++2e→2H2O(1.2)總反應(yīng)：2H2+O2→2H2O(1.3)這個過程中，陽極擴(kuò)散層傳導(dǎo)燃料的電化學(xué)氧化產(chǎn)生的電流，陰極擴(kuò)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(xué)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(kuò)散至陽極，阻止電子通過。電子由外電路由陽極板運(yùn)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(yùn)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jìn)一步分為電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的活化損耗和質(zhì)量傳輸導(dǎo)致的濃度損耗�；罨^電位是為了使電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)能順利進(jìn)行而施加的外部電勢，以便反應(yīng)物突破活化能壘，按照一定速率進(jìn)行反應(yīng)�；罨^電位和電流密度的關(guān)系通過Bulter-Volmer方程描述：

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]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]. 張曉華.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)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(xué) 2017



本文編號：3370633