燃料电池非贵金属氧还原催化剂的制备及其电化学性能研究

摘要

随着社会的不断发展，煤，石油，天然气等各类不可再生能源日益枯竭，寻找并利用可持续发展的绿色能源成为未来社会发展的重要方向。燃料电池因其高转化效率，低污染物排放的特点而受到了社会的广泛关注。然而由于目前燃料电池常使用商业Pt/C作为阴极氧还原电催化剂，而大大增加了其生产成本，限制了其商业化应用。因此，寻找廉价，高效的燃料电池阴极非贵金属氧还原(oxygen reductionreaction，ORR)电催化剂成为未来发展的重中之重。本论文使用廉价的前驱体，通过简易的化学合成以及高温碳化方法制备了高效清洁的氧还原反应电催化剂，主要研究内容如下:
　　1.分别通过固相法与还原法合成四硝基酞菁铁(FePC-NO2)与四氨基酞菁铁(FePC-NH2)。以硝酸处理后的改性碳黑作为模板，在高温碳化过程中四氨基酞菁铁在改性碳黑表面聚合得到了以Fe2O3作为活性位点的非贵金属ORR电催化剂，其在0.1MKOH电解液中的氧还原催化起始电位达到0.98V，半波电位可达到0.84V，同时它还具有良好的循环稳定性与抗甲醇稳定性。
　　2.在SiO2表面原位生长ZIF-8，并以合成的ZIF-8@SiO2为模板剂在其表面生长聚苯胺（PANI），并在900℃的温度下碳化制备材料PANI@ZIF-8@SiO2-900。其具有优良的ORR催化活性，在0.1MKOH电解液中其起始电位与半波电位分别达到0.94V与0.82V,在催化过程中表现近四电子反应。
　　3.在碳纳米管(CNT)表面原位生长ZIF-8，并在其表面聚合聚苯胺，在900℃的碳化温度下合成PANI@ZIF-8@CNT-900，其主要以Fe-Nx作为ORR催化活性位点，在0.1MKOH电解液中起始电势与半波电势分别为0.95V与0.82V，同时具有优良的循环稳定性与抗甲醇稳定性。
　　本论文通过在合成阴极氧还原电催化剂的过程中加入合适的模板剂，有效的避免了其在高温碳化过程中的活性位点的团聚，成功的制备了性能优良的氧还原电催化剂，这为未来制备性能优良的氧还原电催化剂提供了方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 燃料电池简介

1．2 燃料电池阴极氧还原(ORR)催化剂分类

1．2．1 贵金属催化剂

1．2．2 非贵金属催化剂

1．2．3 非金属催化剂

1．3 M／N／C催化剂研究进展

1．3．1 合成M／N／C催化剂常用前驱体

1．3．2 M／N／C催化剂活性位点

1．3．3 M／N／C催化剂发展中的瓶颈

1．4 本论文选题的目的及意义

第二章 FePC-NH2／HCB衍生材料的合成及其ORR性能研究

2．1 前言

2．2 实验中主要使用的仪器及试剂

2．3 FePC-NH2／HCB及其相关ORR催化剂的合成与表征

2．3．1 FePC-NH2／HCB的合成

2．3．2 FePC-NH2／HCB的相关表征及分析

2．4 FePC-NH2／HCB衍生催化剂ORR催化性能的研究

2．5 本章小结

第三章 PANI@ZIF-8@SiO2／Fe衍生材料的合成及其ORR催化性能研究

3．1 前言

3．2 实验中主要使用的仪器及试剂

3．3 基于PANI@ZIF-8@SiO2／Fe-900材料的制备及表征

3．3．1 PANI@ZIF-8@SiO2／Fe-900的制备

3．3．2 基于PANI@ZIF-8@SiO2／Fe-900的相关表征及其分析

3．4 基于PANI@ZIF-8@SiO2／Fe-900材料ORR性能的研究

3．5 本章小结

第四章 PANI@ZIF-8@CNT／Fe衍生材料的合成及其ORR催化性能研究

4．1 前言

4．2 实验中主要使用的仪器及试剂

4．3 PANI@ZIF-8@CNT／Fe-900的制备及其表征

4．3．2 PANI@ZIF-8@CNT／Fe-900的相关表征及其分析

4．4 基于PANI@ZIF-8@CNT／Fe材料ORR性能的研究

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表学术论文

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