晶态碳基低Pt催化剂的合成及其在燃料电池中的应用

摘要

直接甲醇燃料电池具有转换能量效率高，环境友好等优点，因而引起了人们的广泛关注和大量研究。然而，阴、阳极催化剂性能较差是制约燃料电池商业化的重要因素。阴极氧还原反应动力学缓慢，而催化剂多为高贵金属含量的高成本催化剂，这必将会导致燃料电池的成本大大提高。因此，如何在减少贵金属用量的同时，提高贵金属利用率及催化效率是当前的研究热点。由于石墨化碳材料优异的电子传输和高稳特性、氮化钒（氮化钨）的类铂性质及高效的协同作用、多孔结构在传质及吸附扩散等方面的优势，可以作为高性能燃料电池的催化剂载体，具有重要的研究价值。基于上述分析，本论文的研究内容主要包括以下三个方面:
　　(1)以离子交换树脂为碳源，通过基团相互作用原理实现两种金属离子的同时交换，后经过碳化与连续的氮化热解，制备出氮化钒/石墨碳复合体(VN/GC)，作为高效的催化剂载体，能降低Pt的含量，节省成本。合成的低Pt催化剂10％Pt-VN/GC具有优异的氧还原催化活性与稳定性，极限电流密度为137.2 mAmg-1，起始电位达1.01 V，半波电位0.86 V，优于商业Pt/C催化剂的性能，其氧还原反应路径是四电子过程。此方法简单、成本低，并具有普适性。
　　(2)以葡萄糖为碳源，采用溶胶辅助配位及持续热解法制备了氮化钒（氮化钨）/多孔石墨碳复合体(VN/PGC、WN/PGC)，用作载体合成了低Pt含量的催化剂10％Pt-VN/PGC、10％Pt-WN/PGC，催化ORR效果良好，比商业Pt/C催化剂具有更高的动力学电流密度和循环稳定性，且其氧还原反应途径是以四电子转移过程进行的。
　　(3)通过对原位自生模板法合成石墨烯方法的改进，利用不同金属间活泼性的差异，发展了牺牲模板法合成高效的Pt/graphene催化剂。该催化剂表现出较好的氧还原和甲醇氧化催化性能，与商业Pt/C催化剂相比具有更高的电流密度和稳定性。此外，该方法工艺简单，成本低廉，既实现了石墨化Fe催化剂的再次利用，又避免了使用大量盐酸，降低成本的同时更加环保。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 燃料电池简介

1．2．1 燃料电池工作原理及分类

1．2．2 直接甲醇燃料电池(DMFC)

1．3 燃料电池催化剂

1．3．1 阳极甲醇氧化催化剂

1．3．2 阴极氧还原催化剂

1．4 载体材料及助催化材料研究

1．4．1 碳材料

1．4．2 助催化材料

1．5 选题背景及国内外研究现状

1．6 本课题的研究意义及主要内容

第2章 实验材料和表征方法

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 表征方法

2．3．1 透射电子显微镜(TEM)

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．3 广角X射线粉末衍射(XRD)

2．3．4 拉曼光谱(Raman spectroscopy)

2．3．5 热重分析仪(TG-DSC)

2．3．6 N2吸附-脱附等温线的测定(BET)

2．3．7 X射线光电子能谱(XPS)

2．4 电化学性能测试

2．4．1 工作电极的制备

2．4．2 电化学测试方法

第3章 以离子交换树脂为碳源合成氮化钒(氮化钨)／石墨碳复合体及其作为电催化剂载体的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 氮化钒(氮化钨)／石墨碳复合体的制备

3．2．2 低Pt催化剂的合成

3．2．3 工作电极的制备和性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 复合体及低Pt催化剂的表征

3．3．2 低Pt催化剂(10％Pt-VN／GC)的氧还原性能研究

3．3．3 催化剂结构与性质的关系探究

3．3．4 WN／GC复合体的合成及其作为电催化剂载体的研究

3．4 本章小结

第4章 以葡萄糖为碳源合成氮化钒(氮化钨)／多孔石墨碳复合体及其作为电催化剂载体的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 氮化钒(氮化钨)／多孔石墨碳复合体的制备

4．2．2 低Pt催化剂的合成

4．3 结果与讨论

4．3．1 复合体及低Pt催化剂的表征

4．3．2 低Pt催化剂(10％Pt-VN／PGC)的氧还原性能研究

4．3．3 催化剂结构与性质的关系探究

4．3．4 WN／PGC复合体的合成及其作为氧还原催化剂载体的研究

4．4 本章小结

第5章 牺牲模板法合成Pt／石墨烯催化剂及其电化学性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 Fe／石墨烯(Fe／graphene)的制备

5．2．2 Pt／石墨烯(Pt／graphene)催化剂的合成

5．3 结果与讨论

5．3．1 Pt／石墨烯催化剂的相关表征

5．3．2 Pt／石墨烯催化剂的电催化性能研究

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果

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