可溶性共轭聚合物作为氧还原催化剂的研究

摘要

由于燃料电池具有能量转换效率高、稳定性高及无污染等特点，使其成为替代使用常规化石燃料为能源的能量转换装置。但是，用于燃料电池的阴极氧还原催化剂资源短缺、价格昂贵阻碍了燃料电池的市场化。因此，制备新型、高效、价格便宜的氧还原催化剂是目前燃料电池研究的主要内容。基于对碳载体、含氮催化剂前体和金属在催化剂催化活性中作用的研究，本文主要介绍了三种由碳（vulcan XC-72）负载的含氮非贵金属聚合物（M-Nx/C）作为氧还原催化剂的研究。通过电子扫描电镜（SEM）、X-射线光电子能谱（XPS）、紫外可见吸收光谱（UV）、红外光谱（IR）、热重分析（TGA）等手段对催化剂的物理特性进行了分析。采用循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）、旋转环盘电极测试法（RRDE）对催化剂的电催化特性进行了测试。由数据计算得到H2O2的产量和电子转移数，了解各种催化剂的催化活性，进一步通过动力学分析明确在各种催化剂的作用下氧气被还原时电子转移途径。
　　（1）通过化学聚合法合成可溶性共轭聚合物标记为 PBBDP，并成功制备PBBDP/C和Cu-PBBDP/C催化剂。通过物理表征、电化学测试和动力学分析表明：Cu-PBBDP/C的催化活性高于PBBDP/C。进一步将Cu-PBBDP/C与商业Pt/C（20％）比较得出Cu-PBBDP/C在电子转移数（ETN）和H2O2产量方面与Pt/C（20%）相近，并且催化活性高于文献中相同类型的催化剂，是一种高效的催化剂。
　　（2）通过化学聚合方法合成含1,10-菲咯啉单元的单体OCBP。通过引入铜离子形成超分子聚合物Cu-OCBP，并采用碳粉为载体制备Cu-OCBP/C催化剂。研究表明：Cu-OCBP/C的催化活性虽然低于Pt/C（20%），但是与文献中同种类型的催化剂相比在电子转移数及H2O2产量方面仍具有较大的优势。
　　（3）采用聚酰胺-胺型树枝状高分子（G4-NH2）与1,10-菲咯啉-5-羧酸反应合成催化剂前体，标记为 PAMAMPhen。采用简单方法制备 PAMAMPhen/C、PAMAMPhen-Cu/C催化剂。通过物理表征、电化学表征、动力学分析表明PAMAMPhen-Cu/C的催化活性高于PAMAMPhen/C且与Pt/C相当。

目录

声明

前言

第一章 绪论

1.1 燃料电池的发展历程

1.2 燃料电池定义及原理

1.3 燃料电池的分类

1.4 燃料电池的优势

1.5 燃料电池的研究现状

1.6 阴极氧还原反应的原理

1.7 阴极氧还原反应催化剂

1.8 本文研究的主要内容

1.9 氧还原催化剂的性能评价方法

第二章 基于碳的含氮氧还原催化剂PBBDP/C和Cu-PBBDP/C的制备与表征

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 超分子聚合物Cu-SOCBP/C催化剂的制备与表征

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 碳负载的金属配位多枝型聚合物PAMAMPhen-Cu/C作为氧还原催化剂的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文