本文關(guān)鍵詞：高效摻雜型納米結(jié)構(gòu)碳材料的制備及氧還原反應(yīng)研究

  更多相關(guān)文章： 氮摻雜碳材料 電催化 活性中心 氧還原反應(yīng) 燃料電池

【摘要】：燃料電池中貴金屬鉑的大量使用是阻礙其發(fā)展的關(guān)鍵因素,亟需探索高效廉價(jià)的替代型電催化劑。在目前的替代型非貴金屬催化劑研究中,氮摻雜碳基材料是一類氧還原反應(yīng)催化活性最好、成本最為低廉的催化劑,被認(rèn)為是最有可能取代Pt/C催化劑而獲得實(shí)際應(yīng)用的催化劑。氮摻雜有序介孔碳材料因其具有極高的比表面積和規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)電極內(nèi)活性位點(diǎn)的密集組裝與反應(yīng)物料的快速傳輸,受到研究者的廣泛關(guān)注。本論文采用新發(fā)展的蒸汽化-毛細(xì)管冷凝浸漬法,通過優(yōu)化焙燒條件、調(diào)變SBA-15硬模板孔道結(jié)構(gòu)、改變前驅(qū)體類型、氨氣后處理等,制備了一系列氮摻雜有序介孔碳電催化劑;結(jié)合諸多物理-化學(xué)表征手段(物理吸附、XRD、TGA、EM、XPS、TOF-SIMS),對(duì)催化劑的組成、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析;采用循環(huán)伏安法、線性掃描伏安法以及陰極溶出伏安法等研究了催化劑在一系列不同pH(0-2,7,12-14)電解質(zhì)溶液中的電化學(xué)行為。首先,我們采用新發(fā)展的蒸汽化-毛細(xì)管冷凝浸漬法成功的制備出了高比表面積的氮摻雜有序介孔碳電催化劑;在較高熱解溫度(≥900 oC)下,該電催化劑C-PY-900在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原電催化活性以及單池性能,并且優(yōu)于商品Pt/C催化劑;研究發(fā)現(xiàn)過渡金屬鐵并沒有直接參與氧分子的活化以及催化還原過程,氮活化的碳原子(C-N)才是氮摻雜碳基催化劑的活性中心。其次,通過調(diào)變SBA-15硬模板孔道結(jié)構(gòu),可有效調(diào)變碳材料的孔結(jié)構(gòu)及氮含量,進(jìn)而調(diào)控其氧還原活性;采用不同含氮前驅(qū)體對(duì)碳材料最終氮含量基本無影響,但其對(duì)應(yīng)的N 1s與C 1s化學(xué)態(tài)卻有所差異,從而產(chǎn)生不同的氧還原活性;對(duì)氮摻雜碳材料進(jìn)行氨氣后處理,可以促進(jìn)氮原子的摻雜及活性中心的形成,從而提高其氧還原活性。最后,氮摻雜碳基催化劑表面具有極其豐富的可逆氧化還原對(duì),它們調(diào)控著氧還原反應(yīng)時(shí)氧分子的吸附及電子轉(zhuǎn)移過程。氧還原反應(yīng)機(jī)理與電極電位以及電解質(zhì)溶液的pH密切相關(guān),在高電位下,無論是酸性還是堿性介質(zhì)中,氧還原反應(yīng)都是由電極表面的氧化還原對(duì)所調(diào)控的4電子過程,而在低電位下,在堿性介質(zhì)中同時(shí)會(huì)發(fā)生一個(gè)外球電子轉(zhuǎn)移的2電子競(jìng)爭(zhēng)過程產(chǎn)生雙氧水;氮摻雜碳基催化劑在堿性條件下的氧還原性能遠(yuǎn)高于酸性,這是由于活性位點(diǎn)以及它們與氧分子反應(yīng)的機(jī)理在兩種介質(zhì)中發(fā)生了變化,氮原子的質(zhì)子化效應(yīng)降低了電子離域化程度從而降低了酸性條件下的氧還原活性。
【關(guān)鍵詞】：氮摻雜碳材料 電催化 活性中心 氧還原反應(yīng) 燃料電池
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36;TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-23
• 1.1 引言10
• 1.2 燃料電池簡(jiǎn)介10-12
• 1.2.1 燃料電池的工作原理10-11
• 1.2.2 燃料電池的優(yōu)點(diǎn)11-12
• 1.2.3 燃料電池的分類12
• 1.3 摻雜型納米結(jié)構(gòu)碳基氧還原電催化劑的研究現(xiàn)狀12-21
• 1.3.1 氮摻雜碳基催化劑的制備方法13-15
• 1.3.2 新型納米結(jié)構(gòu)氮摻雜碳基電催化劑的研究15-20
• 1.3.3 氮摻雜碳基催化劑上氧還原反應(yīng)的基礎(chǔ)問題研究20-21
• 1.4 本課題的研究設(shè)想與意義21-23
• 1.4.1 當(dāng)前研究所面臨的問題21
• 1.4.2 研究設(shè)想21-22
• 1.4.3 研究意義22-23
• 第二章 氮摻雜有序介孔碳的制備及氧還原反應(yīng)研究23-36
• 2.1 引言23
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分23-26
• 2.2.1 氮摻雜有序介孔碳的制備23-25
• 2.2.2 樣品的表征25
• 2.2.3 電化學(xué)測(cè)試25-26
• 2.3 結(jié)果與討論26-35
• 2.3.1 蒸汽化-毛細(xì)管冷凝浸漬法制備氮摻雜有序介孔碳26-28
• 2.3.2 氮摻雜有序介孔碳上氧還原反應(yīng)活性中心的研究28-34
• 2.3.3 直接甲醇燃料電池性能測(cè)試34-35
• 2.4 本章小結(jié)35-36
• 第三章 氮摻雜有序介孔碳的制備條件對(duì)其氧還原活性的影響36-52
• 3.1 引言36
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分36-39
• 3.2.1 氮摻雜有序介孔碳的制備36-38
• 3.2.2 樣品的表征38
• 3.2.3 電化學(xué)測(cè)試38-39
• 3.3 結(jié)果與討論39-50
• 3.3.1 模板孔道結(jié)構(gòu)對(duì)氮摻雜有序介孔碳氧還原活性的影響39-44
• 3.3.2 前驅(qū)體對(duì)氮摻雜有序介孔碳氧還原活性的影響44-47
• 3.3.3 氨氣處理對(duì)氮摻雜有序介孔碳氧還原活性的影響47-50
• 3.4 本章小結(jié)50-52
• 第四章 氮摻雜有序介孔碳上氧還原反應(yīng)機(jī)理研究52-62
• 4.1 引言52
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分52-54
• 4.2.1 氮摻雜有序介孔碳的制備52
• 4.2.2 樣品的表征52-53
• 4.2.3 電化學(xué)測(cè)試53-54
• 4.3 結(jié)果與討論54-61
• 4.3.1 氮摻雜有序介孔碳在溶液pH為 1、7、13時(shí)的循環(huán)伏安曲線54-55
• 4.3.2 氮摻雜有序介孔碳在溶液pH為 0、1、2 時(shí)的電化學(xué)行為55-58
• 4.3.3 氮摻雜有序介孔碳在溶液pH為 12、13、14時(shí)的電化學(xué)行為58-61
• 4.4 本章小結(jié)61-62
• 結(jié)論62-64
• 參考文獻(xiàn)64-76
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果76-78
• 致謝78-79
• 笞辯委員會(huì)對(duì)論文的評(píng)定意見79

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王麗娟;在石墨及聚酞菁化合物電極上氧還原的電催化[J];催化學(xué)報(bào);1988年01期

2 黃幼菊;李偉善;黃青丹;李偉;張慶龍;蔣臘生;;氫鉬青銅對(duì)鉑催化氧還原反應(yīng)的促進(jìn)作用[J];高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào);2007年05期

3 李之樂;曾為民;馬玉錄;;聚苯胺載鉑鈀電極的制備及氧還原催化性能研究[J];華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年04期

4 李萍;李升憲;胡曉宏;王會(huì)勤;;球磨方法對(duì)氧還原催化劑性能的影響[J];電池;2006年03期

5 位辰先,田建華,梁寶臣,劉邦衛(wèi);制備條件對(duì)卟啉鈷氧還原催化性能的影響[J];天津理工學(xué)院學(xué)報(bào);2004年03期

6 孫曉然;李光躍;夏定國;張立美;李釩;;均苯四甲酰亞胺橋聯(lián)的聚酞菁亞鐵的氧還原反應(yīng)(英文)[J];物理化學(xué)學(xué)報(bào);2013年07期

7 左小剛;;硫酸鹽還原菌對(duì)陰極氧還原反應(yīng)的影響[J];新疆有色金屬;2013年05期

8 張麗娟,夏定國,王振堯,袁嶸,吳自玉;鉑鉍金屬間化合物催化劑的氧還原與抗甲醇氧化性能[J];物理化學(xué)學(xué)報(bào);2005年03期

9 李英霞;陳章霖;羅瑞賢;陳靄t，

本文編號(hào)：738292