阴离子膜燃料电池核壳型Co3O4基氧还原催化剂的制备及性能研究

摘要

阴离子膜燃料电池(AEMFC)不仅具有能量转化率高、环境友好等优点，而且可以使用非贵金属做催化剂，从而降低了制造成本，成为了备受关注的新能源技术。氧还原（ORR）催化剂是阴离子膜燃料电池的关键部件之一，开发新型的、成本低廉的氧还原催化剂，对推动燃料电池的发展具有重要意义。
　　本文首先采用液相沉淀法合成5～10 nm左右的Co3O4，再用超声法制备了不同比例的Co3O4/C催化剂，合成方法简单、绿色环保。最优条件下（Co3O4的质量为Co3O4/C催化剂的50％）制备的Co3O4/C催化剂的比表面积是146.26 m2g-1，在-0.8 V下的极限电流密度是2.93 mA·cm-2，氧还原反应的转移电子数是2.51。
　　在此基础上，采用超声法制备了氧化石墨烯(GO)包覆Co3O4的核壳型催化剂(Co3O4@GO/C)。当GO含量为Co3O4的5％时，所制备催化剂的比表面积达到220.54 m2g-1，氧还原催化活性最高，在-0.8 V下的极限电流密度是4.3 mA·cm-2。
　　为进一步降低成本，以石墨相氮化碳(g-C3N4)取代GO，采用同样方合成了Co3O4@g-C3N4/C催化剂。结果表明，随g-C3N4含量的增加，催化剂活性先增大后减小，当g-C3N4含量为Co3O4的3％时，比表面积达到172.31 m2g-1，催化活性最大，在-0.8 V下的极限电流密度是3.65 mA·cm-2。用S对g-C3N4进行掺杂后，可以进一步提高催化剂(Co3O4@S-g-C3N4/C)的氧还原催化活性，当S与g-C3N4的比例为1∶3时，比表面积增大到201.37 m2g-1，在-0.8 V下的极限电流密度提高到4 mA·cm-2。
　　这三种催化剂催化活性顺序为Co3O4@GO/C＞Co3O4@S-g-C3N4/C＞Co3O4@g-C3N4/C，相对于Co3O4/C催化剂，分别提升了48％、37％、26％。在最优条件下制备的三种催化剂的转移电子数分别是3.5、3.6、3.65。说明氧气基本是依靠四电子途径来扩散，表明这三种催化剂对氧具有良好的选择性。此外，经过1000圈的循环伏安测试后，催化剂的性能均未衰减，表现出良好的稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 燃料电池简介

1．3 阴离子膜燃料电池

1．3．1 阴离子膜燃料电池的特点

1．3．2 阴离子膜燃料电池的工作原理

1．4 碱性阴离子膜燃料电池阴极催化剂的研究进展

1．4．1 非贵金属催化剂

1．4．2 杂原子掺杂非贵金属催化剂

1．4．3 非金属催化剂

1．5 本课题选题意义及研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2．1 实验材料及仪器

2．2 催化剂的制备

2．3 催化剂形貌结构表征

2．3．5 比表面积-孔径分布(BET)

2．4 电化学性能测试

2．4．1 样品的制备

2．4．2 循环伏安测试

2．4．3 极化曲线测试

2．4．4 旋转盘电极动电位极化曲线测试

2．4．5 稳定性测试

第3章 碳担载Co3O4的制备及其催化性能的研究

3．1 最佳Co3O4催化剂的制备及表征

3．2 Co3O4／C催化剂的制备

3．3．2 Co3O4／C催化剂的SEM形貌

3．4 Co3O4／C催化剂的电化学行为

3．4．1 循环伏安测试

3．4．2 极化曲线测试

3．4．3 Co3O4／C催化剂氧还原转移电子数计算

3．5 小结

第4章 碳载GO包覆Co3O4(Co3O4@GO／C)催化剂的制备及其催化性能的研究

4．2．2 Co3O4@GO／C催化剂的FT-IR分析

4．2．3 Co3O4@GO／C催化剂的SEM分析

4．2．4 Co3O4@GO／C催化剂的TEM分析

4．3 Co3O4@GO／C催化剂的电化学行为

4．3．1 循环伏安测试

4．3．2 极化曲线测试

4．3．3 Co3O4@GO／C催化剂氧还原转移电子数计算

4．3．4 Co3O4@GO／C催化剂的稳定性测试

4．4 结论

第5章 碳载g-C3N4包覆Co3O4(Co3O4@g-C3N4／C)催化剂的制备及其催化性能的研究

5．2．2 Co3O4@g-C3N4／C催化剂的FT-IR分析

5．2．3 Co3O4@g-C3N4／C催化剂的SEM分析

5．2．4 Co3O4@g-C3N4／C催化剂的TEM分析

5．2．5 Co3O4@g-C3N4／C催化剂的BET分析

5．3 Co3O4@g-C3N4／C催化剂的电化学分析

5．3．1 循环伏安测试

5．3．2 极化曲线测试

5．3．3 Co3O4@g-C3N4／C催化剂氧还原转移电子数计算

5．3．4 Co3O4@g-C3N4／C催化剂的稳定性测试

5．4 本章小结

第6章 碳载S掺杂g-C3N4包覆Co3O4(Co3O4@S-g-C3N4／C)催化剂的制备及其催化性能的研究

6．2 Co3O4@S-g-C3N4／C催化剂的表征

6．2．3 Co3O4@S-g-C3N4／C催化剂的SEM分析

6．2．4 Co3O4@S-g-C3N4／C催化剂的TEM分析

6．2．5 Co3O4@S-g-C3N4／C催化剂的BET分析

6．3 Co3O4@S-g-C3N4／C催化剂的电化学行为

6．3．1 循环伏安测试

6．3．2 极化曲线测试

6．3．3 Co3O4@S-g-C3N4／C催化剂氧还原转移电子数计算

6．3．4 Co3O4@S-g-C3N4／C催化剂的稳定性测试

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

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