阴离子膜燃料电池中Fe、Ni基氧还原催化剂的制备及性能

摘要

以碱性阴离子膜为电解质的阴离子膜燃料电池(AEMFC)不仅能提高氧还原反应(oxygen reduction reaction，ORR)动力学，而且可以使用非贵金属阴极催化剂，从而大大降低制造成本，在燃料电池的商业化进程中更具有竞争力。作为关键部件之一的ORR催化剂，其性能优劣直接关系电池输出性能的好坏，开发新型、低成本的ORR催化剂，对推动AEMFC的发展具有重要的理论和实际意义。
　　本文以淀粉为碳源，纳米氧化铁和氧化镍为活性中心，通过高热解法制备了Fe/C、Ni/C、FeNi/C催化剂。高分辨率的透射电镜证实，三种催化剂均具有核壳结构，壳为片层石墨层，核为金属纳米颗粒。Fe纳米颗粒的粒径约为25 nm，而Ni颗粒与合金颗粒直径分别为几十纳米到几百纳米不等，三种催化剂均对O2表现出催化活性。
　　当热解温度为800℃、保温时间4h时，控制淀粉与铁、镍的质量比分别为:100∶5（淀粉/铁）、50∶1（淀粉/镍）和100∶2∶3（淀粉/铁/镍）可分别制备出具有最优催化活性的Fe/C、Ni/C、FeNi/C催化剂。催化剂的最大比表面积为:373m2·g-1。
　　在最优条件下制备的三种催化剂在-0.6V时氧还原反应的极化电流密度分别达到0.799 mA·cm-2、0.89 mA·cm-2、1.266 mA·cm-2，对ORR的催化活性顺序为:FeNi/C＞Ni/C＞Fe/C。与Fe/C与Ni/C相比，FeNi/C的ORR催化活性分别提高了58.4％、42.2％。
　　在三种催化剂上，ORR的电子转移数分别为:2.29、2.83、3.26，表明氧还原反应同时存在2电子和4电子过程。三种催化剂经过500次的循环伏安测试后，性能未出现衰减，均表现出良好的稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 燃料电池概述

1．2．1 燃料电池的工作原理

1．3 燃料电池的分类及特点

1．3．1 磷酸燃料电池(PAFC，Phosphorous Acid Fuel Cell)

1．3．2 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC，Molten Carbonate Fuel Cell)

1．3．3 固体氧化物燃料电池(SOFC，Molten Carbonate Fuel Cell)

1．3．4 碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell，AFC)

1．3．5 质子交换膜燃料电池

1．4 阴离子膜燃料电池

1．5 阴离子膜燃料电池阴极非贵金属催化剂研究进展

1．5．1 过渡金属化合物催化剂

1．5．2 掺氮的碳基催化剂

1．6 研究目的及内容

第二章 实验方法

2．1 实验材料

2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．4 样品结构及形貌表征

2．4．1 X射线衍射仪(XRD)

2．4．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．3 透射电镜(TEM)

2．4．4 氮吸附比表面测试仪(BET)

2．5 电化学测试方法

2．5．1 样品制备

2．5．1 循环伏安曲线测试

2．5．2 极化曲线

2．5．3 旋转盘电极动电位极化曲线测试

2．5．4 稳定性测试

2．6 正交试验

第三章 Fe／C氧还原催化剂制备及性能研究

3．1 Fe／C催化剂结构分析及形貌表征

3．1．1 催化剂的XRD分析

3．1．2 催化剂的SEM形貌

3．1．3 催化剂的TEM分析

3．1．4 催化剂的BET分析

3．2 Fe／C催化剂电化学行为

3．2．1 Fe含量对Fe／C催化剂电化学性能影响

3．2．2 热解温度Fe／C催化剂性能影响

3．2．3 保温时间Fe／C催化剂性能影响

3．2．4 正交试验

3．2．5 稳定性测试

3．2．6 氧还原电子数计算

3．3 本章小结

第四章 Ni／C氧还原催化剂制备及性能研究

4．1 Ni／C催化剂物质分析及形貌表征

4．1．1 催化剂的XRD分析

4．1．2 催化剂的SEM形貌

4．1．3 催化剂的TEM分析

4．1．4 催化剂的BET分析

4．2 Ni／C催化剂电化学行为

4．2．1 Ni含量对Ni／C催化剂电化学性能影响

4．2．2 热解温度Ni／C催化剂性能影响

4．2．3 保温时间Ni／C催化剂性能影响

4．2．3 正交试验

4．2．4 稳定性测试

4．2．5 氧还原电子数计算

4．3 本章小结

第五章 FeNi／C氧还原催化剂制备及性能研究

5．1 FeNi／C催化剂物质分析及形貌表征

5．1．1 催化剂的XRD分析

5．1．2 催化剂的SEM形貌

5．1．3 催化剂的TEM分析

5．2 FeNi／C催化剂电化学行为

5．2．1 循环伏安曲线测试

5．2．2 正交试验

5．2．3 稳定性测试与分析

5．2．4 旋转盘电极极化曲线测试与分析

5．3 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢