Co-Ppy/C及Co-Ni-Ppy/C作为燃料电池氧还原催化剂的研究

摘要

目前,各种中低温型燃料电池的阴极催化剂仍以Pt／C催化剂为主。但是,由于Pt是贵金属,资源稀缺,价格昂贵,在直接甲醇燃料电池中,Pt还会催化甲醇氧化,产生混合电位效应,且易被CO毒化,因此,开发能够代替Pt／C的新型ORR催化剂是使燃料电池能够大规模商业化应用的一个关键问题。
　　 本文中,以硝酸钴和硫酸镍作为过渡金属前躯体,吡咯作为氮源,VulcanXC-72作为碳载体,采用化学浸渍法制备得到Co-PPy／C催化剂,并首次制备出Co—Ni-PPy／C催化剂。采用扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、X射线光电子能谱等材料分析方法对催化剂的表面形貌、物相、表面成分等进行表征。采用电化学工作站和旋转圆盘电极对催化剂进行循环伏安和RDE伏安测试,研究了催化剂的催化性能和催化机理。系统地研究了Co含量、PPy含量和热处理对Co-PPy／C催化剂催化性能的影响以及Co、Ni含量对Co-Ni-PPy／C催化剂催化性能的影响。
　　 结果表明,Co-PPy／C和Co-Ni—PPy／C两类催化剂都对氧还原有较好的催化活性,但前者较后者活性更好,因为在于Co-PPy／C催化剂催化氧还原以四电子过程为主,而Co-Ni-PPy／C催化剂催化氧还原以两电子过程为主。过渡金属和N源都是保证催化剂具有ORR催化活性且活性较好的必要条件,且载量存在最优值,并不是载量越高,催化剂活性越好。热处理通过改变N的形式来改变催化剂活性,quaternary N和graphitic N是催化氧还原反应的主要活性位。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 燃料电池概述

1.2.1 燃料电池分类、特性及应用

1.2.2 燃料电池发展史及研究现状

1.2.3 燃料电池的工作原理

1.3 燃料电池阴极氧还原反应

1.3.1 氧还原反应途径

1.3.2 氧还原反应的催化

1.4 氧还原催化剂的研究现状

1.4.1 Pt基催化剂

1.4.2 过渡金属大环化合物

1.4.3 过渡金属氧化物

1.4.4 过渡金属簇硫族化合物

1.4.5 过渡金属羰基化合物

1.4.6 其它过渡金属M-N-C催化剂

1.5 本论文的工作思路及研究内容

第二章 实验方法

2.1 催化剂的制备

2.1.1 实验原料

2.1.2 催化剂的制备方法

2.2 材料的表征方法

2.2.1 场发射扫描电镜(FESEM)和x射线能量色散谱仪(EDS)

2.2.2 X射线衍射仪(XRD)

2.2.3 X射线光电子能谱(XPS)

2.2.4 热失重分析(TG-DTA)

2.3 材料的电化学性能的测试

2.3.1 电极的制备

2.3.2 循环伏安测试

2.3.3 RDE伏安测试

第三章 Co-PPy/C氧还原催化剂的研究

3.1 PPy/C的制备及其微观结构

3.1.1 PPy/C的制备

3.1.2 PPy/C的微观结构

3.2 Co-PPy/C的微观结构

3.2.1 Co-PPy/C的制备

3.2.2 Co-PPy/C的微观结构

3.3 Co-PPy/C氧还原催化剂的电化学性能

3.3.1 循环伏安测试

3.3.2 RDE伏安测试

3.4 催化剂组成对Co-PPy/C氧还原催化剂催化性能的影响

3.4.1 Co含量对Co-PPy/C催化剂催化性能的影响

3.4.2 聚吡咯含量对催化剂催化性能的影响

3.5 热处理对Co-PPy/C氧还原催化剂催化性能的影响

3.5.1 热处理催化剂的形貌表征

3.5.2 热处理催化剂催化性能的测试

3.6 本章小结

第四章 Co-Ni-PPy/C型氧还原催化剂的研究

4.1 Co-Ni-PPy/C型催化剂的形貌表征

4.2 Co-Ni-PPy/C型催化剂的催化性能测试

4.3 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢