燃料电池阴极碳基非贵金属催化剂研究

摘要

能源危机和环境污染等问题的日益加剧，迫使人们不断开发新型可持续能源。燃料电池(Fuel Cells，FC)作为一种将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有系统结构简单、运行温度低、噪音小、转化效率高等特点，在固定电站、交通运输、军用电源等领域有广阔的应用前景，受到广泛关注。目前，FC商业化应用的关键瓶颈之一在于如何设计和制备新型高效的阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction，ORR)电催化剂。以设计和构筑性能优异、成本低廉的ORR催化剂为目标，结合现代谱学显微技术和电化学方法系统分析催化剂结构与ORR性能之间的构-效关系。
　　本研究主要内容包括：⑴将碳纳米管、锰源、钴源与氮源等直接混合，采用“水热法”一步制得三维连通的氮掺杂碳纳米管担载尖晶石MnCoxO4催化剂(MnCoxO4/NCNT)。物性表征表明尖晶石MnCoxO4包括MnCo2O4和(Co, Mn)[Mn, Co]2O4两种晶型，粒径大小约为5-10 nm，粒子部分二次团聚后分散在碳纳米管表面。MnCoxO4/NCNT催化剂具备良好的ORR催化活性，其半波电位与商品化Pt/C催化剂相比仅小20 mV。在-0.4 V电位下经过2400 s计时电流测试后，其电流强度仅衰减1.7%，高于商品 Pt/C催化剂(衰减17%)。⑵将一定量的科琴碳、硫脲和FeCl3·6H2O充分混合，采用高温煅烧法制备氮/硫双掺杂科琴碳(N/S-Kb)。物性表征表明杂原子氮、硫均匀掺入到科琴碳骨架中，其中活性的吡啶型N和噻吩型S含量较高(32.7 at.%和84.3 at.%)，为催化剂提供高效活性位点。电化学测试表明N/S-Kb催化剂以4电子途径催化ORR，其ORR起始电位为0.08 V，优于商品化Pt/C催化剂(0.06 V)。经过8000圈的快速老化测试以及10000 s的计时电流测试之后，催化剂的 ORR活性几乎没有发生变化，表明催化剂具有优异的稳定性。⑶以硫脲、硼酸、FeCl3·6H2O混合物为催化剂前体，采用高温煅烧法制备氮/硫/硼三掺杂碳材料(Fe-N/S/B-C)。物性测试表明 Fe-N/S/B-C催化剂为包覆结构，金属铁物种被包覆于碳层结构中，N、S、B三种非金属元素成功掺入Fe-N/S/B-C催化剂中，活性的吡啶型N、噻吩型S以及B-C物种有效地促进材料ORR活性的提升。电化学测试表明Fe-N/S/B-C催化剂的ORR半波电位为-0.1 V，优于Pt/C催化剂(-0.131 V)。8000圈的快速老化测试后催化剂半波电位仅负移8 mV，经过10000 s的计时电流测试后催化剂的电流强度为起始值的98.6%，表明催化剂良好的稳定性。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 燃料电池概述

1.2 氧还原反应机理

1.3 氧分子在催化剂表面的吸附

1.4 燃料电池阴极氧还原催化剂

1.5 本论文的工作思路及主要研究内容

2 实验部分

2.1 化学试剂及材料

2.2 电催化剂的物性表征

2.3 电催化剂的电化学性能表征

3 MnCoxO4/NCNT催化剂的制备及ORR性能研究

3.1 前言

3.2催化剂的制备

3.3催化剂的物性表征

3.4催化剂的电化学性能表征

3.5 本章小结

4 N/S-Kb催化剂的制备及ORR性能研究

4.1 前言

4.2催化剂的制备

4.3催化剂的物性表征

4.4催化剂的电化学性能表征

4.5 本章小结

5 Fe-N/S/B-C催化剂的制备及ORR性能研究

5.1 前言

5.2 催化剂的制备

5.3催化剂的物性表征

5.4 催化剂的的电化学性能表征

5.5 本章小结

6 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢