PEMFC阴极有序介孔氧还原非Pt催化剂的制备与研究

摘要

在发展越来越快的现代社会，汽车随处可见，成为生活中不可或缺的一种交通工具，方便快捷，但其通常使用传统的能源作为动力来源，并且在使用过程中会产生大量的尾气，污染环境，尤其是对空气的污染，提高可吸入颗粒的含量，造成大气污染，破坏生态系统和人类的正常生活，对我们的身体造成伤害，急需寻找一种绿色能源来代替传统的能源，解决现在面临的难题。PEMFC是一种能量转化效率高的环保转换装置，在转换中几乎80%的能量都能得到利用。但燃料电池的高成本和低耐久性限制了其的广泛应用。PEMFC成本主要来源于催化剂，尤其是阴极催化剂，Pt易团聚，也较易脱落，降低了电池的使用寿命，所以采用非贵金属催化剂来提高其使用时间，降低成本。 (1)本文采用乙醇挥发自组装法，聚苯胺为氮源，正硅酸四乙酯为硅源，合成了Fe-N-C-PANI有序介孔催化剂。通过XRD、TEM和XPS等测试方法，对催化剂的形貌、成分和结构进行了表征，观察有序介孔随实验条件得变化规律；采用电化学测试的方法，对合成的有序介孔结构催化剂的ORR性能进行测试；采用加速测试的方式对催化剂的稳定性进行评估。表明热处理温度为800℃时，聚苯胺、Fe盐、TOEs的加入量分别为0.2g，0.2020g，2.08g时，得到的有序介孔 Fe-N-C-PANI催化剂的二维六角孔结构最完整，有序度最高，产生了一些中空的碳棒，比表面积也最高，为1007 m2/g，孔径集中在3.8 nm和6.4 nm，ORR活性也最高，起始电位高达0.89 Vvs.RHE，半波电势为0.81 Vvs.RHE，电子转移数目为3.9，酸性中稳定性也优于20 wt%Pt/C。 (2)采用乙醇挥发自组装法，聚苯胺为氮源，热解温度为800℃，合成Fe， Co双掺杂的有序介孔催化剂FeCo-N-C-PANI材料，对加入的Fe和Co的摩尔比例进行了优化。利用XRD，TEM，XPS等测试对催化剂的结构、成分、形貌进行分析，用 CV和 LSV对催化剂 ORR性能和表面电化学性能进行分析，采用AAT评估其耐久性。发现当Fe：Co为3：1时，催化剂氧还原性能最好，起始电位高达0.9Vvs.RHE，半波电势为0.78 Vvs.RHE。电子转移数目为3.92，稳定性高于20 wt%Pt/C和Fe-N-C-PANI的稳定性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 质子交换膜燃料电池

1.2 质子交换膜燃料电池阴极催化剂

1.2.1 Pt及Pt合金催化剂

1.2.2 非贵金属催化剂

1.3 介孔碳材料

1.3.1 介孔材料概述

1.3.2有序介孔碳材料

1.3.3掺杂有序介孔碳材料

1.4 本论文的研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验试剂和主要仪器

2.1.1实验试剂

2.1.2实验仪器

2.2 催化剂物理化学性能表征

2.2.1 XRD测试

2.2.2 CHNS/O元素分析

2.2.3 TEM测试

2.2.4 SEM测试

2.2.5 氮气吸附脱附测试

2.2.6 XPS测试

2.3 催化剂电化学性能测试

2.3.1 工作电极的制备

2.3.2 电化学性能测试

第3章 Fe-N-C-PANI有序介孔催化剂的制备与研究

3.1 实验过程

3.1.1甲阶酚醛树脂的合成

3.1.2有序介孔Fe-N-C-PANI催化剂的合成

3.2 结果与讨论

3.2.1 XRD表征

3.2.2 N2吸附脱附曲线表征

3.2.3催化剂的C、H、N、S、O元素分析

3.2.4 SEM表征

3.2.5 TEM表征

3.2.6 氧还原性能表征

3.2.7 催化剂CV曲线分析

3.2.8 XPS分析

3.2.9 氧还原动力学分析

3.2.10 有序介孔催化剂稳定性分析

3.3 本章小结

第4章 Fe和Co双金属有序介孔材料的制备及其氧还原性能的研究

4.1 实验过程

4.1.1甲阶酚醛树脂的合成

4.1.2有序介孔FeCo-N-C-PANI催化剂的合成

4.2 结果与讨论

4.2.1 XRD表征

4.2.2 TEM分析

4.2.3 有序介孔催化剂的CV曲线分析

4.2.4 有序介孔催化剂的氧还原性能分析

4.2.5 XPS分析

4.2.6 Fe3Co1-N-C-PANI稳定性分析

4.2.7 Fe3Co1-N-C-PANI催化剂的氧还原动力学分析

4.3 本章小结

第5章 主要结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及专利