生物质来源的低温燃料电池非铂催化剂

摘要

低温燃料电池因具有工作温度低、对环境无污染、高能量转换效率的优点而受到广泛关注。在燃料电池阴极发生的氧还原(ORR)反应比较缓慢，因而能否研究出一种高效、便宜的氧还原催化剂成为低温燃料电池成功实现商业化应用的关键决定因素。铂及其合金是目前所知的催化氧还原反应效率最高的催化剂，然而铂催化剂的大规模使用受到铂金属储量少、价格高的制约。不仅如此，铂基催化剂还存在稳定性差、易中毒等问题。杂原子掺杂碳材料具有原材料在自然界中储量大，对环境无污染，耐腐蚀等优点，被认为是一种有替代铂催化剂潜力的新材料。在各种掺杂碳材料中，氮掺杂碳材料表现出了最佳的氧还原催化剂活性。生物质作为自然界中一直存在的物质，不仅随处可得、成本低廉，而且对自然环境没有污染，是一种理想的制备氮掺杂碳材料催化剂的前驱体。本文以生物质材料为前驱体，通过高温热处理等方法获得了具有特殊形貌和碱性条件下优异氧还原性能的氮掺杂碳材料非贵金属催化剂。
　　本文首先以叶状体类生物质为前驱体，通过水热碳化、冻干、氨气氛围下高温热处理和一系列后处理制备了氮掺杂碳材料催化剂。测试结果表明，在1000℃下制备的催化剂不仅具有很大的比表面积，同时有很高的总氮含量和活性氮(吡啶氮)含量，因而氧还原活性最高，在碱性条件下的氧还原性能与商业铂碳相当，起始电势为E0=-0.016 V，半波电势为E1/2=-0.15 V。我制备的催化剂的稳定性好于商业铂碳，且具有优异的抗CO中毒和甲醇氧化的能力。
　　此外，我以含纤维素生物质为原料通过初步碳化、球磨、KOH活化、酸洗和第二次氨气高温热处理制备了具有三维类石墨烯结构的氮掺杂碳材料催化剂。KOH活化有利于形成三维类石墨烯结构，并且活化后的催化剂比表面积高达1756 m2g-1，较大的比表面积和多孔的结构有利于暴露更多的活性位点，并有利于电解液进入催化剂内部与更多的活性位点接触。制备的催化剂在碱性条件下起始电势为E0=-0.03 V，半波电势为E1/2=-0.17 V，ORR催化性能优于商业铂碳，而且具有更好的电化学稳定性、更好的抗CO和甲醇能力。此外，在酸性条件下，与商业铂碳相比，催化剂表现出了较好的ORR催化活性，及优于商业铂碳的稳定性和抗CO中毒能力。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 燃料电池简介

1.2 低温燃料电池

1.3 低温燃料电池对氧还原催化剂的要求

1.4 贵金属氧还原催化剂

1.5 非贵金属氧还原催化剂

1.6 氮掺杂碳材料的氧还原反应催化活性机理

1.7 本论文研究背景和内容

第2章 以叶状体类生物质为前驱体的非贵金属催化剂

2.1 引言

2.2 实验内容

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 以含纤维素生物质为前驱体的非贵金属催化剂

3.1 引言

3.2 实验内容

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果

硕士期间参与的课题