燃料电池阴极氧还原催化剂的制备及其电化学性能的研究

摘要

燃料电池由于装置简单，体积小携带方便，能量密度高的原因得到了各国政府和公司的广泛关注。目前，贵金属Pt基电催化剂是应用最广泛的燃料电池催化剂，但贵金属的储量限制导致催化剂的成本极高，直接提高了燃料电池的价格，不利于燃料电池的商业化发展。除此之外，稳定性不足仍然是制约贵金属在燃料电池中使用的最大问题。因此，发展成本廉价、性价比高、稳定性高的非贵金属电催化剂替代Pt基电催化剂是燃料电池得到广泛应用的必要前提。基于此，本论文针对燃料电池阴极电催化剂成本高，稳定性差等方面开展了深入的研究，设计制备了一系列低成本，高催化活性和稳定性的非贵金属电催化剂，并进行了实际的电池测试。主要研究内容如下:
　　(1)含有N，Fe两种元素的碳材料是目前氧还原非贵金属催化剂研究的热点。高的Fe含量直接导致了该种催化剂的催化性能不稳定和Fe的浪费。我们从低含量的Fe入手，通过调节Fe含量(0.02-20 wt％)，发掘出真正起催化作用的Fe原子。研究发现，除了文献报道的Fe含量较高的催化剂表现出高的氧还原性能外，在Fe极其微量时（0.05 wt％）也能到达到很好的催化性能。这是目前有文献报道的Fe含量最低，同时性能很高的氧还原非贵金属电催化剂之一。这种低含量的Fe同时具有高的催化性能充分说明Fe的利用率很高。N和Fe之间的协同作用对这种催化剂高的氧还原活性有很大的贡献。
　　(2)对于制备基于碳材料的电催化剂，碳材料的酸性氧化及随后的热处理是一种普遍的预处理过程。在本文中，我们利用Hummer方法对碳材料VXC-72进行一次和二次氧化，然后在N2保护下对所得到的氧化样品进行高温热处理得到一系列碳材料。旋转环盘-圆盘测试，元素分析及BET表面积分析证明氧化处理对碳基催化剂的氧还原电化学性能有一定的影响。研究发现氧化处理可以使氮元素掺杂进碳黑中从而提高催化剂的电化学性能。本文研究结果对设计和分析其他的碳基电催化剂有很好的借鉴作用。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题的来源及研究意义

1．2 燃料电池发展背景

1．3 中低温燃料电池基本结构和工作原理

1．4 氧电还原机理

1．5 氧气电还原催化剂

1．6 本论文的立题思想及研究内容

第二章 基于廉价炭黑、氮和痕量铁的高性能氧还原催化剂的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．3 结果与讨论

2．4 本章小结

第三章 碳材料氧化热处理对氧还原催化活性的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 结论和展望

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间研究成果

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