热解牛奶-氧化石墨制氧还原反应催化剂的研究

摘要

燃料电池因一系列优点是目前能源和环境领域的主要研究对象，但其阴极的氧还原反应(ORR)制约该电池的商业化应用。传统采用的Pt/C催化剂虽催化活性强，但价格昂贵、资源稀缺、稳定性差、耐甲醇性差等。为此，开发廉价易得的高效氧还原反应电催化剂成为目前的研究热点。
　　本文选择廉价生物质牛奶作为氮源，氧化石墨作为碳源，通过“高温热解法”制备N/C系列催化剂，并考察N源含量、热处理温度和时间、金属掺杂和两步热解对催化剂活性的影响。结果表明，一步热解法得到的N/C催化剂具有 ORR催化活性，在0.1mol/LKOH溶液中，它的氧还原起始电位(Eonset)和峰电位(Ep)分别为Eonset=0.020V，Ep=-0.115Vvs(Hg/HgO)，氧还原反应电子转移数为2.5。另外，金属掺杂和两步热解都可以明显改善N/C催化活性。为了明确金属Co在催化剂中的作用，将添加CoCl2·6H2O后得到的催化剂Co-N/C进行酸化处理，并标记为Co-N/C-A。电化学测试结果表明，Co-N/C-A催化剂在0.1mol/LKOH溶液中的氧还原电位分别为Eonset=0.037V，Ep=-0.082Vvs(Hg/HgO)，ORR电子转移数为3.8。和 N/C相比，Co-N/C-A呈现出更强的催化活性，这可能与高含量的Pyridinic-N和Pyrrolic-N有关。此外，与N/C相比，两步热解得到的 N/C′催化剂起始氧还原电位和峰电位分别正移了15 mV和25mV，ORR电子转移数为3.7。造成该结果的原因可能是在两步热解中，第一阶段的热解会使牛奶中的蛋白质彻底分解，其中的碳尽可能石墨化，从而更有利于N对碳材料的掺杂。最后，本文所制备的N/C系列催化剂在0.1mol/LKOH溶液中的稳定性和耐甲醇性都比Pt/C催化剂更优异。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1绪 论

1.1引言

1.2阴极氧还原反应催化剂的研究现状

1.3 N/C型氧还原反应催化剂的现状

1.4论文的研究目的及意义

1.5论文的研究内容

2实验部分

2.1实验试剂与仪器

2.2催化剂的制备

2.3催化电极的制备

2.4催化剂的活性测试与结构表征

3结果与讨论

3.1 N/C催化剂的条件优化与活性

3.2金属掺杂对N/C催化剂的活性影响

3.3两步热解对N/C催化剂的活性影响

3.4催化机理

3.5稳定性和耐甲醇性

3.6催化剂在0.1 mol/L KOH溶液中的活性对比与总结

3.7催化剂的形貌与结构表征

4结论与展望

4.1结论

4.2展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士学位期间所发表的文章目录：