本文關鍵詞：碳材料作為燃料電池催化劑的應用研究

  更多相關文章： 燃料電池 催化劑 石墨烯 碳球 乙醇氧化

【摘要】：隨著社會經濟的高速發(fā)展,人們正面臨著自然環(huán)境惡化和自然資源枯竭的威脅,如何更加充分地利用資源與能源,降低環(huán)境負擔,成為越來越迫切的問題。如何將能量的轉化設計的更加持續(xù)和對環(huán)境友好,受到了各國政府和科研工作者的廣泛關注。質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有系統(tǒng)結構簡單、環(huán)境友好、快速啟動、無電解液流失、壽命長、功率密度和能量密度高等優(yōu)點而備受關注。但是燃料電池的電極反應動力學過程緩慢,需要高效的催化劑才能提高整個體系的運行效率。目前性能最好、使用最廣泛的燃料電池催化劑仍是鉑系列的,但鉑價格極其昂貴,無法支持大規(guī)模商業(yè)化應用,此外Pt催化劑易中毒,氧還原過電位高等問題也無法完全解決。因此開發(fā)低價、高效、穩(wěn)定的燃料電池催化劑已成為質子交換膜燃料電池發(fā)展的迫切任務。本文在綜述當前PEMFC催化劑最新研究進展的基礎上,采用不同的前驅體,制備了幾種N、P、S等雜原子摻雜的碳材料,以期打破碳材料表面的電中性,引起結構缺陷,從而使碳材料轉變?yōu)閮?yōu)良的氧還原催化劑。借助組成和表面態(tài)分析、微觀結構表征以及電化學測試對合成的催化劑進行了系統(tǒng)的研究,考察了雜原子摻雜量、摻雜類型、碳材料的結構等與其電催化活性間的構效關系;結合理論計算探索了雜原子摻雜改變碳材料催化氧還原行為的原因和催化氧還原機理。進而在碳材料研究的基礎上,通過模版法制備了類石墨烯多孔碳材料,并將其作為催化劑載體,合成了Pt/C,對其作為乙醇氧化催化劑的可行性進行了研究。本論文的主要內容如下:1)使用不同的雜原子源,在相同熱解條件下,對石墨烯進行氮、磷、硫摻雜,借助XRD、XPS、SEM、TEM等對催化劑的成分,表面態(tài)和微觀結構進行了詳細的分析,利用系統(tǒng)的電化學測試對其氧還原性能進行了綜合評價。測試結果表明氮(NG)、磷(PG)、硫(SG)摻雜石墨烯的氧還原起始電位分別為-0.05 V、-0.11 V、-0.18 V(vs.Hg/HgO)。根據(jù)第一性原理計算,我們對其氧還原起始電位的差異進行了分析,計算結果表明氧分子在NG、PG和SG催化劑上的吸附能以及O-O鍵長分別是0.416 eV和1.253?、0.232 eV和1.238?以及0.224 eV和1.236?。這表明催化性能的差異主要是由氧分子吸附在催化劑表面后結合能的差別造成的,這對設計高效的催化劑有一定的指導意義。2)以廉價的酵母菌為原料,采用簡單的水熱輔助熱解法,得到了比表面積高達1223 m~2/g的多孔納米碳球(NPMCS)。值得注意的是,得益于其生物質原料的特點,這類碳球中含有氮元素和磷元素,使其具有很好的氧還原催化作用。合成的NPMCS的起峰電位僅僅比商業(yè)化鉑碳負19 mV,但比商業(yè)化鉑碳有更好的穩(wěn)定性和抗醇類中毒特性。3)催化劑載體也是催化劑至關重要的一部分,我們利用碳酸鈣為模版,以樹葉提取物為原料,合成了一類具有多層次孔結構的類石墨烯材料,探究了升溫速率對其孔結構和比表面積的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著升溫速率的降低,得到的材料比表面積逐漸變大。在2℃/min條件下得到的材料比表面積高達1337 m~2/g,將其負載Pt催化劑應用到乙醇氧化,結果表明該催化劑在乙醇氧化中得到的電流密度是商業(yè)鉑碳催化劑的2.8倍。結合相關材料表征與相關文獻報道,推斷其優(yōu)異的乙醇氧化性能不僅僅是得益于載體較大的比表面積,這類載體含有氮元素與硫元素,這種獨特的組成和結構會進一步提升材料的催化活性,同時對一氧化碳氧化也有促進作用,有效的防止催化劑中毒。
【關鍵詞】：燃料電池 催化劑 石墨烯 碳球 乙醇氧化
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36;TM911.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第1章 緒論10-22
• 1.1 燃料電池介紹10-12
• 1.1.1 燃料電池催化劑應具備的特點12
• 1.2 催化劑的發(fā)展與現(xiàn)狀12-20
• 1.2.1 陰極氧還原催化劑12-18
• 1.2.2 燃料電池陽極催化劑18-20
• 1.3 本論文的研究背景、內容和意義20-22
• 第2章 實驗方法22-26
• 2.1 主要儀器及試劑22-23
• 2.1.1 主要儀器22
• 2.1.2 主要試劑22-23
• 2.2 材料表征手段及實驗條件23-24
• 2.2.1 X射線粉末衍射 (XRD)23-24
• 2.2.2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡 (FESEM)24
• 2.2.3 透射電子顯微鏡 (TEM)24
• 2.2.4 X射線光電子能譜 (XPS)24
• 2.2.5 氮吸附比表面積測試 (BET)24
• 2.3 電化學性能測試條件及方法24-26
• 2.3.1 玻碳電極的處理和制備24
• 2.3.2 循環(huán)伏安法測試 (CV)24-25
• 2.3.3 旋轉環(huán)盤電極法 (RRDE)25-26
• 第3章 不同原子（氮、磷、硫）摻雜石墨烯及其氧還原催化活性的研究26-35
• 3.1 引言26
• 3.2 實驗方法26-28
• 3.2.1 材料和試劑26
• 3.2.2 樣品的合成26-27
• 3.2.3 物理表征27
• 3.2.4 電化學表征27
• 3.2.5 理論計算27-28
• 3.3 結果與討論28-34
• 3.4 本章小結34-35
• 第4章 生物質材料合成含氮、磷共摻雜的多孔碳球及其作為氧還原催化劑的研究35-43
• 4.1 引言35
• 4.2 實驗過程35-36
• 4.2.1 NPMCS的合成35-36
• 4.2.2 物理表征36
• 4.2.3 電化學表征36
• 4.3 結果與討論36-42
• 4.4 本章小結42-43
• 第5章 多層次孔結構類石墨烯碳材料的制備及其在乙醇氧化催化劑中的應用研究43-51
• 5.1 引言43
• 5.2 實驗過程43-44
• 5.2.1 材料合成43-44
• 5.2.2 物理表征44
• 5.2.3 電化學表征44
• 5.3 結果與討論44-49
• 5.4 本章小結49-51
• 第6章 論文工作總結與展望51-53
• 6.1 論文總結51
• 6.2 研究展望51-53
• 參考文獻53-63
• 致謝63-64
• 附錄Ⅰ 碩士在讀期間發(fā)表論文64

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 曾奕昌;劉豐烈;;鈷催化劑制造過程中矽酸鈷的生成及其影響[J];科學通報;1955年10期

2 ;催化劑性能測試(一)——催化劑強度測定儀[J];上海化工;1977年04期

3 楊可欽;;高鉬鎳和鉬鎳磷催化劑的催化性能對比[J];石油煉制與化工;1982年11期

4 厲杜生;我國硫酸生產用釩催化劑的早期研制工作[J];硫酸工業(yè);1984年02期

5 金榮達;;Z_(403H)型輕油轉化催化劑性能的研究[J];遼寧化工;1988年05期

6 錢水林;;國內外變換催化劑的發(fā)展概況[J];小氮肥設計技術;1989年04期

7 縱秋云,李欣,郭建學,張新堂,蘇旭;鈦促進型耐硫變換催化劑的性能[J];應用化學;2001年08期

8 蔣文貞,張志祥,陳建設;銀催化劑使用前后的微觀變化[J];石化技術;2004年02期

9 趙羅生;;新型金屬載體消氫催化劑的研究[J];艦船科學技術;2006年02期

10 趙志利;李建偉;陳標華;;三氧化二鐵晶型對鐵鉻系高溫變換催化劑性能的影響[J];現(xiàn)代化工;2006年S2期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 辛勤;;粒子大小、微區(qū)結構和組成對催化劑性能的影響[A];第七屆全國催化劑制備科學與技術研討會論文集[C];2009年

2 吳慧;樊金串;黃偉;謝克昌;;聚乙二醇對合成二甲醚漿狀催化劑性能的影響研究[A];第十三屆全國催化學術會議論文集[C];2006年

3 王麗麗;賈美林;照日格圖;郝向英;;以分子篩為載體的納米金催化劑的性能研究[A];第五屆全國環(huán)境催化與環(huán)境材料學術會議論文集[C];2007年

4 潘兆德;王宏悅;蔡亮;胡文培;劉坤;;高活性耐硫變換催化劑的研制[A];第六屆全國工業(yè)催化技術及應用年會論文集[C];2009年

5 趙曉爭;高雄厚;張忠東;張莉;劉宏海;;不同類型稀土元素對原位晶化型催化劑性能的影響[A];甘肅省化學會第二十七屆年會暨第九屆甘肅省中學化學教學經驗交流會論文摘要集[C];2011年

6 孫欣欣;林強;李金兵;;載體預處理工藝對乙烯氧化銀催化劑性能的影響[A];第九屆全國工業(yè)催化技術及應用年會論文集[C];2012年

7 王紅巖;鄭起;于政錫;林性貽;;鉬助劑對乙炔法合成醋酸乙烯催化劑性能的影響[A];第十三屆全國催化學術會議論文集[C];2006年

8 曾利輝;高武;李岳鋒;丁良;姚琪;;3α-高托品烷胺合成用催化劑的研究[A];第十四屆全國青年催化學術會議會議論文集[C];2013年

9 黃文氫;張飛;張穎;張明森;;改性甲醇制低碳烯烴催化劑的表征[A];中國化工學會2008年石油化工學術年會暨北京化工研究院建院50周年學術報告會論文集[C];2008年

10 苗婷;朱海燕;;活性炭載體結構及預處理對催化劑性能的影響[A];第十屆全國工業(yè)催化技術及應用年會論文集[C];2013年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 凌鋒;國產催化劑工業(yè)化應用結新果[N];中國石化報;2005年

2 王永軍;多功能硫黃回收催化劑經濟又環(huán)保[N];中國石化報;2009年

3 江書程　仇國賢 辛國萍;原位晶化型催化劑達國際先進水平[N];中國礦業(yè)報;2009年

4 通訊員 趙淑玲;吉林石化新型催化劑一次通過考核標定[N];中國石油報;2009年

5 本報記者 曾敏學;湖南建長：生產世界一流催化劑[N];岳陽晚報;2011年

6 本報記者 許琦敏;促使催化劑分子“單兵作戰(zhàn)”[N];文匯報;2012年

7 郝曉麗　朱向學 姚偉;大連化物所自主合成吡啶新型催化劑[N];科技日報;2009年

8 陶炎;乙二醇生產成本大降[N];中國石化報;2011年

9 通訊員 仇國賢;推廣新型催化劑增產乙烯上千噸[N];中國石油報;2011年

10 李曉巖;氣相法聚乙烯催化劑投用[N];中國化工報;2003年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 白翠華;含氮MOFs衍生復合材料的制備及其催化性能研究[D];華南理工大學;2015年

2 劉子萱;聚吡咯修飾碳載鈷催化劑對氧還原催化作用的研究[D];浙江大學;2013年

3 李加新;鋰離子/空氣電池碳基電極的設計、制備及性能研究[D];福建師范大學;2015年

4 李彥朋;硫化鉬/碳及硫/碳復合電極材料性能與催化機理研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

5 梁虹;車用柴油機SCR系統(tǒng)催化箱溫度場特性研究[D];北京理工大學;2015年

6 趙波;富鈰基鈰鋯復合氧化物材料的制備及其負載單Pd催化劑三效催化性能的研究[D];浙江大學;2011年

7 李慶遠;磁性金屬—有機骨架催化劑的合成、結構表征和催化性能研究[D];北京化工大學;2014年

8 仇方圓;微納過渡金屬復合物的制備及其催化NH_3BH_3放氫性能研究[D];南開大學;2014年

9 胡曉靜;TiO_2納米管基催化劑的制備、表征及催化性能研究[D];南開大學;2014年

10 徐悅;基于第一性原理篩選甲烷重整反應用金屬及合金催化劑[D];華東理工大學;2014年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉璐;研磨等方法制備多壁碳納米管負載鈀基催化劑[D];河北師范大學;2015年

2 趙博琪;聚合物改性Pt基催化劑對甲醇電催化氧化性能研究[D];沈陽理工大學;2015年

3 朱振玉;堿性介質中醇類電氧化Pd系催化劑的制備及性能研究[D];沈陽理工大學;2015年

4 鐘成林;二氧化碳加氫合成甲醇Cu/TiO_2催化劑的研究[D];上海應用技術學院;2015年

5 李黎;介孔CuO-ZnO-ZrO_2催化二氧化碳加氫合成甲醇[D];上海應用技術學院;2015年

6 鄧博洋;超聲霧化分解法制備Mn/TiO_2系列低溫SCR催化劑研究[D];浙江工商大學;2015年

7 王小星;SiO_2/g-C_3N_4和ZrO_2/g-C_3N_4催化劑光催化降解染料的研究[D];浙江師范大學;2015年

8 黃建萍;pH響應型界面活性SiO_2材料制備及催化劑性能研究[D];山西大學;2015年

9 徐培培;貴金屬改性的NPG催化劑對甲醇甲酸催化氧化性能的研究[D];曲阜師范大學;2015年

10 鹿國萍;金屬氧化物對Pt、Pd催化劑上醇類電氧化反應的促進作用[D];曲阜師范大學;2015年

，

本文編號：1007987