當(dāng)今社會(huì)發(fā)展清潔能源是大勢(shì)所趨。燃料電池作為清潔能源家族中的一員,具有燃料利用率高和綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。如今已經(jīng)商用的燃料電池陰極催化劑為Pt/C,而Pt為貴金屬材料,自然界儲(chǔ)量極少,導(dǎo)致了催化劑的成本過(guò)高;此外,在實(shí)際應(yīng)用中商用Pt/C催化劑較差的穩(wěn)定性也提高了它的應(yīng)用成本,而這也成為了限制燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的很重要的一個(gè)因素。所以為了早日實(shí)現(xiàn)燃料電池的大面積使用必須尋找到可替代Pt/C的低成本的陰極催化劑。本文在靜電紡絲技術(shù)的基礎(chǔ)上引入了二氧化硅（SiO₂）涂覆技術(shù),并以此方法制備了成本低廉,活性高的過(guò)渡金屬-氮-硅三元共摻的碳納米纖維氧還原催化劑。將聚丙烯腈（PAN）的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液作為前驅(qū)體溶液,再加入0.1 wt%氯化鐵（FeCl₃）后作為紡絲溶液,進(jìn)行傳統(tǒng)的靜電紡絲,得到FeCl₃均勻分布的納米纖維。通過(guò)正硅酸四乙酯（TEOS）的水解將SiO₂殼層包覆在預(yù)氧化后的纖維表面,在850℃高溫?zé)崽幚砗蟮玫搅司哂?D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的Fe-N-Si-CNFs催化劑,其比表面積為809.... 

【文章來(lái)源】：燕山大學(xué)河北省

【文章頁(yè)數(shù)】：68 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

PEMFC單體燃料電池示意圖

牧希?礱髁蛟?擁牟粼右燦幸歡ǖ淖饔謾Ｋ婧笱芯咳嗽苯?淥?釉?佑?氮共摻雜到了碳材料中，發(fā)現(xiàn)得到的材料表現(xiàn)出比單一雜原子摻雜更加優(yōu)異的性能。如Lu等人[69]制備了B、N共摻雜的碳基催化劑，堿性環(huán)境下表現(xiàn)出與Pt/C接近的ORR活性，此外該催化劑還表現(xiàn)出優(yōu)異的析氫和析氧能力。Liu等人[68]則通過(guò)分別制備了Si-N共摻雜的碳材料，通過(guò)對(duì)比他們發(fā)現(xiàn)相較于Si或N的單一摻雜，Si-N共摻雜后對(duì)碳材料的催化活性提升的更多。1.4靜電紡絲法制備碳納米纖維1.4.1靜電紡絲技術(shù)簡(jiǎn)介靜電紡絲技術(shù)又名“靜電紡”或“電紡”，其簡(jiǎn)易裝置如圖1-2所示，大致由帶有噴射針頭的發(fā)射裝置、高壓電源和接收端三部分組成。其工作過(guò)程大致為高壓電源在發(fā)射端和接收端之間施加一個(gè)高壓電場(chǎng)，具有一定黏性的紡絲溶液由針頭處噴出，在高壓電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生靜電場(chǎng)力，隨后在靜電場(chǎng)力的作用下形成“泰勒錐”型液滴，當(dāng)電場(chǎng)力增大到某一臨界值時(shí)，泰勒錐型液滴受到的靜電場(chǎng)力大于了液滴的表面張力，液滴被拉伸成了絲。在到達(dá)接收端前，由于溶劑不斷揮發(fā)導(dǎo)致噴絲不斷固化，最終在接收端得到纖維。圖1-2靜電紡絲儀器示意圖

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-16-現(xiàn)影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的現(xiàn)象發(fā)生。圖2-1PAN預(yù)氧化反應(yīng)過(guò)程SiO2的涂覆則利用的是TEOS的水解縮合反應(yīng)，其總反應(yīng)式如下所示：C8H20O14Si+2H2OSiO2+4C2H5OH實(shí)際反應(yīng)中主要經(jīng)歷了兩步，即水解反應(yīng)和縮合反應(yīng)，反應(yīng)式分別如下：第一步水解反應(yīng)：C8H20O14Si+4H2OSi(OH)4+4C2H6O第二步縮合反應(yīng)：Si(OH)4+Si(OH)4H6Si2O7+H2O或Si(OH)4+C8H20O14SiH6Si2O7+C2H6O其中酸和堿的加入均會(huì)加速TEOS的反應(yīng)過(guò)程。在酸性環(huán)境中，水合質(zhì)子對(duì)TEOS中的某一個(gè)-OR基中的氧原子發(fā)生親電反應(yīng)，親電反應(yīng)的產(chǎn)物則在酸性環(huán)境下質(zhì)子化致使電子云從Si原子向其偏移，這降低了水分子對(duì)硅原子進(jìn)行親核反應(yīng)的難度，從而加速了水解反應(yīng)。在堿性環(huán)境下則是半徑較小的OH-直接與硅原子發(fā)生親核反應(yīng)，使其顯負(fù)電性，導(dǎo)致電子云向-OR基偏移，這直接導(dǎo)致了TEOS中的Si-O鍵被削弱，使得-OR可以很容易脫離出來(lái)，從而加速TEOS的水解反應(yīng)。熱處理過(guò)程分為兩次，第一次熱處理是為了實(shí)現(xiàn)雜原子的摻雜即得到TM-N-Si三元共摻雜的碳納米纖維。第二次熱處理是為了去除因具有強(qiáng)氧化性的HF的腐蝕而產(chǎn)生的無(wú)用的含氧官能團(tuán)。CyclizationCyclizationC≡NC≡NC≡N-H2ODehydrogrnationDehydrogrnation-H2O40%30%20%10%

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]氫能質(zhì)子交換膜燃料電池核心技術(shù)和應(yīng)用前景[J]. 趙鄧玉,鄒文文,趙康寧,葉代新,趙宏濱,張久俊.  自然雜志. 2020(01)
[2]燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 囤金軍,宋金香.  中國(guó)科技信息. 2020(Z1)
[3]綠水青山就是金山銀山——深入學(xué)習(xí)領(lǐng)會(huì)習(xí)近平主席科學(xué)的生態(tài)文明思想[J]. 雷學(xué)軍.  中國(guó)能源. 2019(03)
[4]直接利用生物質(zhì)的化學(xué)燃料電池研究進(jìn)展[J]. 劉躍嶺,景琦,徐帆,李歡.  化工進(jìn)展. 2018(09)
[5]靜電紡絲技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史及應(yīng)用[J]. 王艷芝.  合成纖維工業(yè). 2018(04)
[6]燃料電池中催化劑的電化學(xué)性能研究進(jìn)展[J]. 余培鍇,李月嬋.  沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2018(04)
[7]燃料電池Pt基陰極催化劑研究進(jìn)展[J]. 王亞駿,李云華,楊洋,李巧霞.  電源技術(shù). 2018(05)
[8]席卷而來(lái)的燃料電池車[J]. 唐琳.  科學(xué)新聞. 2018(02)
[9]我國(guó)能源現(xiàn)狀分析及其發(fā)展策略[J]. 鄭悅紅,郭漢丁,吳思材,陳思敏.  城市. 2018(01)
[10]氧還原碳基非貴金屬電催化劑研究進(jìn)展[J]. 鐘國(guó)玉,王紅娟,余皓,彭峰.  化學(xué)學(xué)報(bào). 2017(10)

博士論文
[1]低溫預(yù)氧化、環(huán)化反應(yīng)對(duì)聚丙烯腈碳纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響[D]. 柴曉燕.華南理工大學(xué) 2015
[2]基于高穩(wěn)定性核殼材料的燃料電池陰極催化劑研究[D]. 董亮.燕山大學(xué) 2014

碩士論文
[1]過(guò)渡金屬鈷酸鹽的制備及其電化學(xué)性能研究[D]. 陶念.北京郵電大學(xué) 2019
[2]靜電紡絲制備鐵—氮摻雜的碳納米材料及其氧還原性能[D]. 王衛(wèi)萍.燕山大學(xué) 2018



本文編號(hào)：3504681