吡啶氮自掺杂非贵金属燃料电池催化剂的研究

摘要

阴极氧还原催化剂是影响燃料电池工作效率的关键因素。目前主要使用铂基等贵金属材料作为有效的氧还原催化剂。虽然铂基氧还原催化剂实现了很大发展，但由于铂资源有限，成本高昂而严重限制了燃料电池大规模应用。因此，开发出低成本、高效的非贵金属氧还原催化剂成为了目前的研究热点。制备性能与Pt基催化剂相当的非贵金属氧还原催化剂是目前重要的研究方向。
　　本论文提出了一种新型制备高效、稳定非贵金属催化剂的制备方法。该方法通过热解双亚胺吡啶金属基聚合物制备非贵金属氧还原剂。在这种方法中，主要通过2，6-二乙酰基吡啶与多胺发生Schiff碱缩合反应，得到具有对二价金属离子如铁、钴、镍有强络合能力的三齿型双亚胺吡啶配体聚合物。并以此聚合物通过热裂解的方式成功地制备出多种高性能的氧还原催化剂。与已经报道的方法相比，这是一种新的通过选择多胺单体制备非贵金属氧还原催化剂方法，具体如下:
　　通过2，6-二乙酰基吡啶，对苯二胺单体，在惰性气氛与溶液中酰亚胺脱水聚合，与氯化亚铁络合制备过渡金属双亚胺吡啶前驱体，热解得到Fe/DPA-PPA催化剂，经研究发现:Fe3C与掺氮碳材料形成包覆结构，Fe3C粒径尺寸在20-50nm。比起铂碳催化剂，在0.1M KOH溶液中，Fe/DPA-PPA拥有更高的催化性能，其起峰电位达1.07V，半波电位达0.88V，在0.5M H2SO4溶液中性能略差，其起峰电位仅为0.88V，半波电位仅为0.72V;在0.6V-1.0V间，经过10，000圈循环加速后，依然保持稳定的电催化性能。
　　通过2，6-二乙酰基吡啶，三聚氰胺单体，在惰性气氛和溶液中酰亚胺脱水聚合，分别与氯化亚铁，六水合氯化钴络合制备过渡金属双亚胺吡啶前驱体，热解得到Fe-C-N，Co-C-N催化剂，经研究发现:这类催化剂拥有4atom％以上的氮含量，在酸性和碱性中同时表现出良好的氧还原催化活性和循环稳定性，特别是在0.1M KOH溶液中，Fe-C-N和Co-C-N的起峰电位分别达1.04V，1.03V，半波电位分别达0.88V，0.85V;经过10，000圈循环加速后，Fe-C-N半波电位的衰减率仅为2.9％，Co-C-N半波电位的衰减率仅为4.7％。说明这是一种有效的制备高性能非贵金属氧还原催化剂的方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 质子交换膜燃料电池的发展现状及原理

1．1．2 贵金属氧还原催化剂的发展

1．1．3 非贵金属氧还原催化剂的发展

1．2 本论文的工作思路及主要内容

第二章 实验的设计与方法

2．1 实验仪器

2．2 实验药品

2．3 实验表征

2．3．1 物理表征

2．3．2 电化学表征

第三章 双亚胺吡啶基掺铁非贵金属氧还原催化剂

3．1 实验部分

3．2 结果与讨论

3．2．1 扫描电子显微镜(SEN)和粉末X-射线衍射(XRD)分析

3．2．2 拉曼光谱(Raman)和比表面分析

3．2．3 X-射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)分析

3．2．4 循环伏安曲线(CV)分析

3．2．5 线性伏安扫描曲线(LSV)分析

3．3 小结

第四章 三聚氰胺吡啶基络合铁、钴的非贵金属氧还原催化剂

4．1 实验部分

4．2 结果与讨论

4．2．1 粉末X-射线衍射(XRD)分析

4．2．2 扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析

4．2．3 X-射线光电子能谱(XPS)分析

4．2．4 拉曼光谱(Raman)分析

4．2．6 比表面分析

4．2．7 电化学表征

4．3 小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间学术成果