燃料电池阴极金属掺杂多孔碳催化剂研究

摘要

绿色能源是社会可持续发展的关键。低温燃料电池具有能量转化率高、操作温度低、燃料丰富、环境友好等特点，是便携式电器、电动汽车等理想的电源。然而，燃料电池的性能和成本问题仍制约着其商业化进程，其中贵金属催化剂约占其成本的49％，研发高活性、高稳定性以及廉价的燃料电池阴极非贵金属电催化剂具有重要的理论意义和应用价值。本论文主要针对碱性介质中非贵金属催化剂结构不合理、活性较差的问题，从仿生及利用生物质材料角度出发，设计并制备了一系列过渡金属掺杂的多孔碳材料，采用现代谱学显微技术及电化学方法对其进行了物性表征及电化学性能测试，研究了其微观结构与催化行为之间的关系。研究工作主要包括:
　　(1)采用简单的“一锅法”制备了仿肺三维多孔Fe-N-C高效氧还原反应(ORR)电催化剂。将SiO2微球模板与碳源、氮源、铁源直接混合，利用溶剂蒸发诱导模板自组装合成Fe-N-C前体，通过高温热解优化制备了具有三维相连通的球形介孔-大孔结构的Fe-N-C电催化剂，其孔径分布在10-100 nm之间，Fe、N、C元素均匀分布，且分析了不同热解温度对材料结构形貌的影响。该催化剂起始氧还原电位为0 V(vs.Ag/AgCl)，半波电位为-0.15 V(vs.Ag/AgCl)，活性与商品Pt/C催化剂相当(半波电位为-0.147 V)。在-0.4 V(vs.Ag/AgCl)下进行1800 s计时电流测试，电流密度仅衰减7％，优于商品Pt/C（衰减18％）。在CV法抗甲醇性能测试中，与Pt/C相比无氧化电流，抗甲醇性能优异。
　　(2)以柑橘皮为碳源，利用其自身孔结构通过浸渍法担载Mn前体，采用高温热解法制备了橘皮碳担载的面心立方结构的MnOx电催化剂。MnOx纳米颗粒粒径为10-20nm，均匀担载于多孔橘皮碳表面。其ORR起始氧还原电位为-0.09 V(vs.Ag/AgCl)，半波电位为-0.175 V(vs.Ag/AgCl)，与商品Pt/C催化剂接近，极限电流密度为6mAcm-2，在-0.4 V(vs.Ag/AgCl)下进行1800 s计时电流测试，电流密度衰减3.3％，均优于商品Pt/C（电流衰减18％）。在CV法抗甲醇性能测试中，与Pt/C相比无氧化电流，抗甲醇性能优异。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 燃料电池

1．1．1 燃料电池的发展及种类

1．1．2 燃料电池的基本结构和工作原理

1．2 燃料电池阴极氧还原反应

1．3 Pt基氧还原催化剂

1．4 非贵金属氧还原催化剂

1．4．1 过渡金属氧化物电催化剂

1．4．2 非金属掺杂碳电催化剂

1．4．3 金属-氮掺杂碳电催化剂

1．5 金属-氮掺杂碳电催化剂氧还原反应机理

1．6 本论文的工作思路和主要内容

2 实验部分

2．1 化学试剂及材料

2．2 电催化剂工作电极的制备

2．3 电催化剂的表征与测试

2．3．1 X-射线衍射技术

2．3．2 透射电子显微镜表征

2．3．3 X射线光电子能谱分析

2．3．4 电化学测试

3 三维多孔Fe-N-C催化剂的制备及ORR性能研究

3．1 前言

3．2 三维多孔Fe-N-C催化剂的制备

3．3 三维多孔Fe-N-C催化剂的物性表征

3．3．1 形貌及结构分析

3．3．2 表面结构表征

3．4 三维多孔Fe-N-C催化剂ORR活性与稳定性研究

3．4．1 铁、氮含量对Fe-N-C催化剂活性影响

3．4．2 热解温度对Fe-N-C催化剂活性影响

3．4．3 三维多孔Fe-N-C催化剂ORR活性研究

3，4．4 Fe-N-C催化剂ORR机理初步探索

3．4．5 Fe-N-C催化剂的稳定性研究

3．5 本章小结

4 橘皮碳担载MnOx电催化剂的制备及ORR性能研究

4．1 前言

4．2 橘皮碳担载MnOx电催化剂的制备

4．3 橘皮碳担载MnOx电催化剂的物性表征

4．3．1 形貌分析

4．3．2 结构表征

4．4 橘皮碳担载MnOx电催化剂ORR活性及稳定性测试

4．4．1 橘皮碳担载MnOx电催化剂ORR活性测试

4．4．2 橘皮碳担载MnOx电催化剂ORR稳定性评价

4．5 本章小结

5 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢