基于纳米金刚石和碳化硼的掺杂碳材料非铂催化剂研究

摘要

随着社会的发展和全球经济的增长，人类对能源的需求越来越大。以氢气为原料的可再生氢氧燃料电池是将水电解与燃料电池技术相结合而形成的。其中氧电极的析氧反应和氧还原反应是制约发展的重要因素，铂及铂合金等贵金属催化剂的成本高、寿命短等缺陷阻碍了其进一步的发展。因此开发和制备出高活性低成本稳定性好的非贵金属催化剂成为解决这一问题的关键。本文中分别以高稳定性的纳米金刚石和纳米碳化硼作为核心，制备出了新型的掺杂碳材料非铂催化剂。
　　本课题中，制备了一种以纳米金刚石为核心，钴氮共掺的石墨化碳层为壳的双功能的催化剂（Co-N-C/ND）。首先，将纳米金刚石进行真空热处理，得到表面石墨化的C/ND，再利用微波乙二醇法在C/ND的表面上负载钴颗粒，将得到的物质与三聚氰胺混合，600℃，N2保护条件下再进行真空热处理，即得到Co-N-C/ND。Co-N-C/ND在-0.4 V到-0.7 V电位下的平均氧还原反应电子数为3.82，其氧还原催化效果与商用的Pt/C接近。同时又具有较好的析氧催化活性，其析氧起始电位为0.43 V，0.7 V电位下的电流密度为3.19mA/cm2。与用XC72做基础材料制备的Co-N-C催化剂相比，也表现出了更好的稳定性。
　　以纳米碳化硼为基础材料，制备了一种新型的硼氮共掺的碳材料非铂催化剂（B-N-C/B4C），利用微波乙二醇法将钴盐与B4C混合，得到的物质与三聚氰胺混合，600℃，N2保护条件下再进行真空热处理，即得到B-N-C/B4C。作为一种非金属催化剂，其在碱性条件下表现出了很好的氧还原催化活性，与商用的Pt/C接近，在-0.4 V到-0.7 V电位下的平均氧还原反应电子数为3.85。碱性条件下在3000圈的循环扫描下表现出了优异的稳定性。经过测试，其同时在酸性电解液中也表现出了良好的催化性能和稳定性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1本课题的研究背景

1.2燃料电池简介

1.2.1 燃料电池发展历程

1.2.2燃料电池特点及分类

1.3.1 质子交换膜燃料电池工作原理

1.3.2 电解水原理

1.4氧还原反应及氧还原催化剂

1.4.1 贵金属催化剂

1.4.2 非贵金属催化剂

1.4.3 非金属催化剂

1.5析氧催化剂及研究进展

1.6再生氢氧燃料电池及双功能催化剂

1.7本课题研究的内容

第2章 实验方法及过程

2.1 实验原料、试剂

2.2 实验设备

2.3.1 石墨化纳米金刚石的制备

2.3.2 微波辅助沉积法制备催化剂的原理

2.3.3 复合催化剂的制备

2.4 结构表征及形貌分析方法

2.4.1 X射线衍射仪

2.4.2 透射电子显微镜及能谱仪

2.4.3电感耦合等离子体发射光谱

2.4.4 X射线光电子能谱

2.5 电化学测试

2.5.1 电化学综合测试仪

2.5.2 旋转圆盘电极体系

2.5.3 循环伏安法

2.5.4 线性扫描伏安法

2.5.5 加速老化试验

2.5.6 计时电流法

2.5.7 交流阻抗测试

2.6 本章小结

第3章 实验结果与分析

3.1.1 Co-N-C/ND的制备

3.1.2 结构表征及形貌分析

3.1.3 Co-N-C/ND催化ORR性能分析

3.1.4 Co-N-C/ND催化OER性能分析

3.1.5 Co-N-C/ND的稳定性

3.2 B-N-C/B4C催化剂

3.2.1 B-N-C/B4C的制备

3.2.2 结构表征及形貌分析

3.2.3 B-N-C/B4C催化在碱性溶液中ORR性能分析

3.2.4 B-N-C/B4C催化在酸性溶液中ORR性能分析

3.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要研究成果

致谢