基于前過渡金屬氮化物燃料電池電催化劑的研究
發(fā)布時間：2023-04-29 20:19
質子交換膜燃料電池具有能量轉換效率高、低溫啟動快速和無污染排放等優(yōu)點,被廣泛視為最具應用前景的清潔能源技術之一。然而,質子交換膜燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化仍然面臨很大的挑戰(zhàn),陰極氧還原反應速率緩慢、使用貴金屬Pt作為催化劑帶來的高成本、以及穩(wěn)定性不足等因素嚴重阻礙了燃料電池的進一步發(fā)展。為了解決這些問題,全球的研究人員開展了大量的研究工作,并取得很大突破。在催化劑活性方面,以Pt為殼層的核殼結構催化劑為代表的低Pt催化劑研究不僅降低了Pt的載量,同時還提高了Pt自身的催化劑活性;而以Fe-Nx/C為代表的非Pt催化劑在堿性條件下的氧還原活性可與商業(yè)Pt/C催化劑相媲美。在穩(wěn)定性方面,以calix[4]arene修飾Pt電極為代表的具有選擇性抑制氧還原反應的陽極催化劑為解決燃料電池在啟動和關機階段的壽命衰減提供了新的辦法。盡管如此,Pt高昂的價格和稀缺性依然制約了Pt催化劑的大規(guī)模應用,而非Pt催化劑在酸性中的活性和穩(wěn)定性仍然滿足不了實際應用的需求。因此,開發(fā)新型廉價、高活性和高穩(wěn)定性的燃料電池催化劑依然十分有必要。前過渡金屬氮化物具有高硬度、高熔點和抗腐蝕等優(yōu)良的物理...
【文章頁數】：147 頁
【學位級別】：博士
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
1.1 燃料電池的概述
1.1.1 聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)
1.1.2 堿性燃料電池(AFC)
1.1.3 磷酸燃料電池(PAFC)
1.1.4 固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)
1.1.5 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
1.2 低溫燃料電池面臨的挑戰(zhàn)及其發(fā)展趨勢
1.3 低溫燃料電池低鉑及非鉑催化劑的研究進展
1.3.1 低鉑氧還原催化劑的研究進展
1.3.2 非貴金屬氧還原催化劑的研究進展
1.3.3 選擇性陽極氫氧化反應催化劑的研究進展
1.4 本課題的研究意義、內容和目標
1.4.1 本課題的研究意義
1.4.2 本課題的研究內容和目標
第二章 實驗設計與表征方法
2.1 實驗儀器和試劑
2.1.1 實驗儀器
2.1.2 實驗材料與化學試劑
2.2 實驗方法
2.3 催化劑物相、形貌以及結構表征
2.3.1 X-射線衍射(XRD)
2.3.2 TEM形貌表征
2.3.3 氮氣吸附比表面積測試(BET)
2.3.4 X射線光電子能譜(XPS)
2.3.5 氧氣程序升溫脫附(O2-TPD)
2.4 催化劑性能評價
2.4.1 催化劑的氧還原性能評價
2.4.2 催化劑的氫氧化性能評價
2.4.3 催化劑的穩(wěn)定性評價
第三章 前過渡金屬氮化物的氧還原性能研究及其原因分析
3.1 前言
3.2 實驗部分
3.2.1 催化劑制備
3.2.2 催化劑表征
3.2.3 催化劑性能測試
3.3 結果與討論
3.3.1 氧分子解離條件的理論分析
3.3.2 第三周期前過渡金屬氮化物的氧還原活性及原因
3.4 結論
第四章 過渡金屬摻雜對VN氧還原性能的影響研究
4.1 前言
4.2 實驗部分
4.2.1 催化劑制備
4.2.2 催化劑表征
4.2.3 催化劑性能測試
4.3 結果與討論
4.3.1 催化劑的結構及形貌表征
4.3.2 催化劑的氧還原活性及穩(wěn)定性
4.3.3 Co摻雜量和氮化溫度對催化劑結構和性能的影響
4.3.4 氧還原機理分析
4.3.5 氧還原性能提高的原因分析
4.4 結論
第五章 過渡金屬摻雜及碳復合對CrN氧還原性能的影響研究
5.1 前言
5.2 實驗部分
5.2.1 催化劑制備
5.2.2 催化劑表征
5.2.3 催化劑性能測試
5.3 結果與討論
5.3.1 過渡金屬摻雜對CrN氧還原性能的影響
5.3.2 碳復合對CrN氧還原性能的影響
5.4 結論
第六章 TiN負載高分散Pt催化劑的選擇性電催化作用研究
6.1 前言
6.2 實驗部分
6.2.1 催化劑制備
6.2.2 催化劑表征
6.2.3 催化劑性能測試
6.3 結果與討論
6.3.1 催化劑的結構與形貌表征
6.3.2 Pt元素的價態(tài)分析
6.3.3 催化劑的CV曲線分析
6.3.4 催化劑的氫氧化活性及氧還原活性
6.3.5 催化劑的氫氧化機理及氧還原機理分析
6.3.6 催化劑對氫氧化和氧還原反應選擇性的原因分析
6.3.7 催化劑對氧還原反應的抑制作用
6.4 結論
第七章 結論與展望
7.1 本文的研究內容
7.2 本文的創(chuàng)新點
7.3 本文的不足之處
7.4 對未來研究工作的展望
參考文獻
攻讀博士學位期間的科研成果
致謝
附件
本文編號：3805672
【文章頁數】：147 頁
【學位級別】：博士
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
1.1 燃料電池的概述
1.1.1 聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)
1.1.2 堿性燃料電池(AFC)
1.1.3 磷酸燃料電池(PAFC)
1.1.4 固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)
1.1.5 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
1.2 低溫燃料電池面臨的挑戰(zhàn)及其發(fā)展趨勢
1.3 低溫燃料電池低鉑及非鉑催化劑的研究進展
1.3.1 低鉑氧還原催化劑的研究進展
1.3.2 非貴金屬氧還原催化劑的研究進展
1.3.3 選擇性陽極氫氧化反應催化劑的研究進展
1.4 本課題的研究意義、內容和目標
1.4.1 本課題的研究意義
1.4.2 本課題的研究內容和目標
第二章 實驗設計與表征方法
2.1 實驗儀器和試劑
2.1.1 實驗儀器
2.1.2 實驗材料與化學試劑
2.2 實驗方法
2.3 催化劑物相、形貌以及結構表征
2.3.1 X-射線衍射(XRD)
2.3.2 TEM形貌表征
2.3.3 氮氣吸附比表面積測試(BET)
2.3.4 X射線光電子能譜(XPS)
2.3.5 氧氣程序升溫脫附(O2-TPD)
2.4 催化劑性能評價
2.4.1 催化劑的氧還原性能評價
2.4.2 催化劑的氫氧化性能評價
2.4.3 催化劑的穩(wěn)定性評價
第三章 前過渡金屬氮化物的氧還原性能研究及其原因分析
3.1 前言
3.2 實驗部分
3.2.1 催化劑制備
3.2.2 催化劑表征
3.2.3 催化劑性能測試
3.3 結果與討論
3.3.1 氧分子解離條件的理論分析
3.3.2 第三周期前過渡金屬氮化物的氧還原活性及原因
3.4 結論
第四章 過渡金屬摻雜對VN氧還原性能的影響研究
4.1 前言
4.2 實驗部分
4.2.1 催化劑制備
4.2.2 催化劑表征
4.2.3 催化劑性能測試
4.3 結果與討論
4.3.1 催化劑的結構及形貌表征
4.3.2 催化劑的氧還原活性及穩(wěn)定性
4.3.3 Co摻雜量和氮化溫度對催化劑結構和性能的影響
4.3.4 氧還原機理分析
4.3.5 氧還原性能提高的原因分析
4.4 結論
第五章 過渡金屬摻雜及碳復合對CrN氧還原性能的影響研究
5.1 前言
5.2 實驗部分
5.2.1 催化劑制備
5.2.2 催化劑表征
5.2.3 催化劑性能測試
5.3 結果與討論
5.3.1 過渡金屬摻雜對CrN氧還原性能的影響
5.3.2 碳復合對CrN氧還原性能的影響
5.4 結論
第六章 TiN負載高分散Pt催化劑的選擇性電催化作用研究
6.1 前言
6.2 實驗部分
6.2.1 催化劑制備
6.2.2 催化劑表征
6.2.3 催化劑性能測試
6.3 結果與討論
6.3.1 催化劑的結構與形貌表征
6.3.2 Pt元素的價態(tài)分析
6.3.3 催化劑的CV曲線分析
6.3.4 催化劑的氫氧化活性及氧還原活性
6.3.5 催化劑的氫氧化機理及氧還原機理分析
6.3.6 催化劑對氫氧化和氧還原反應選擇性的原因分析
6.3.7 催化劑對氧還原反應的抑制作用
6.4 結論
第七章 結論與展望
7.1 本文的研究內容
7.2 本文的創(chuàng)新點
7.3 本文的不足之處
7.4 對未來研究工作的展望
參考文獻
攻讀博士學位期間的科研成果
致謝
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本文編號：3805672
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