新型铋酸银/二氧化锰复合物的制备表征及其氧还原催化性能的研究

摘要

相对于氢电极来说，氧的阴极还原反应速率相对较慢，极化较大，极大限制了燃料电池性能的提升。虽然铂基催化剂被认为是一种性能优异的氧还原阴极催化剂，但由于铂金属资源稀缺，价格昂贵，导致其催化剂的成本过高，也限制了铂基催化剂的大规模使用。目前很多研究者开始致力于开发其他成本低，稳定性高，催化氧还原性能较好的催化剂来替代铂催化剂。本课题在调研文献和前期实验室研究基础上，提出并用共沉淀法制备了纳米Ag4Bi2O5/MnO2，以及在纳米Ag4Bi2O5/MnO2的基础上分别负载了碳纳米管和石墨烯，制备了Ag4Bi2O5/MnO2/CNTs和Ag4Bi2O5/MnO2/rGO新型复合物催化剂，并研究其结构、组成和形貌，以及氧还原催化性能。本论文主要的研究内容如下:
　　(1)首先，本论文采用共沉淀法在纳米Ag4Bi2O5材料的基础上加入MnO2，制备了纳米Ag4Bi2O5/MnO2复合材料。通过XRD、SEM、TEM、HRTEM、XPS等方法对其结构和形貌进行了表征，用LSV、CV和Tafel等电化学测试研究了这种复合材料的电化学性能，结果表明，纳米Ag4Bi2O5/MnO2复合材料的还原电位稍逊于Pt/C催化剂，其极限氧还原电流与商业Pt/C相当。
　　(2)其次，本论文采用共沉淀法和原位生长相结合的方法，以碳纳米管作为碳载体，制备了Ag4Bi2O5/MnO2/CNTs复合材料。运用XRD、SEM、XPS等测试手段对这种材料进行了结构和形貌的表征，同时利用CV和LSV等电化学测试方法对该催化剂的氧还原催化性能进行了系统分析。结果表明，在负载了碳纳米管后，Ag4Bi2O5/MnO2/CNTs的催化氧还原性能相比于Ag4Bi2O5/MnO2有所提高，尤其在稳定性和抗甲醇性能方面优于商业Pt/C催化剂。这不仅是因为碳纳米管的加入提高了材料的导电性，而且Ag、Bi、Mn、C之间的协同作用有利于材料氧还原催化性能的提高。
　　(3)使用还原氧化石墨烯作为碳载体，在制备纳米Ag4Bi2O5/MnO2的基础上，制备了Ag4Bi2O5/MnO2/rGO复合催化剂材料。通过使用XRD、SEM、XPS等测试手段表征了这种材料的结构和形貌，并运用CV、LSV和Tafel等测试方法研究了材料的催化氧还原性能。结果表明，这种催化剂材料的的催化氧还原性能接近商业Pt/C，其中在稳定性和抗甲醇性能方面具有比商业Pt/C更好的性能。该材料优异的电化学性能益于Ag、Bi、Mn几种金属和还原氧化石墨烯的协同作用，这不仅增加了材料的导电性，石墨烯的褶皱结构还能增加材料的比表面积，使得更多的活性位点暴露出来。
　　本论文成功制备的三类催化剂为今后开发低成本氧还原催化材料在燃料电池领域的研究和应用提供了较重要的研究基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 燃料电池的分类

1．3 燃料电池的工作原理

1．4 氧还原催化剂的研究现状

1．4．1 铂基催化剂

1．4．2 过渡金属氧化物催化剂

1．4．3 金属氮化物催化剂

1．4．4 金属碳氮化物催化剂

1．5 催化剂载体的研究进展

1．5．1 以碳纳米管为载体的催化剂

1．5．2 以石墨烯为载体的催化剂

1．6 本论文研究的主要内容及研究意义

1．6．1 本论文研究的主要内容

1．6．2 本论文研究的意义

第二章 实验材料、仪器及方法介绍

2．1 实验原料

2．2 实验仪器设备

2．3 材料的物理表征方法

2．3．1 X射线粉末衍射(XRD)

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．3 透射电子显微镜分析(TEM)

2．3．4 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)

2．4．1 工作电极的制备

2．4．2 循环伏安测试(CV)

2．4．3 线性扫描伏安法(LSV)

第三章 纳米Ag4Bi2O5/MnO2的制备及电化学性能研究

3．1 引言

3．2 纳米Ag4Bi2O5/MnO2的制备

3．3 结果和讨论

3．3．1 合成过程示意图

3．3．2 纳米Ag4Bi2O5/MnO2的结构与形貌表征

3．3．3 纳米Ag4Bi2O5/MnO2催化剂的催化性能研究

3．4 本章小结

第四章 纳米Ag4Bi2O5/MnO2/CNTs的制备及电化学性能研究

4．1 引言

4．2 纳米Ag4Bi2O5/MnO2/CNTs的制备

4．3 结果和讨论

4．3．1 纳米Ag4Bi2O5/MnO2/CNTs的结构与形貌表征

4．3．2 纳米Ag4Bi2O5/MnO2/CNTs催化剂的催化性能研究

4．4 本章小结

第五章 纳米Ag4Bi2O5/MnO2/rGO的制备及电化学性能研究

5．1 引言

5．2 纳米Ag4Bi2O5/MnO2/rGO复合材料的合成

5．3 结果和讨论

5．3．1 纳米Ag4Bi2O5/MnO2/rGO的结构与形貌表征

5．3．2 纳米Ag4Bi2O5/MnO2/rGO催化剂的催化性能研究

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介