本文關(guān)鍵詞：氮化鈦負(fù)載非貴金屬催化劑的氧還原性能研究

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【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種清潔、高效的能量轉(zhuǎn)換裝置,具有操作方便、響應(yīng)速度快、以及安裝地點(diǎn)靈活等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于汽車、家用電器等。然而,質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程卻因?yàn)榇呋瘎┑膬r(jià)格昂貴、穩(wěn)定性差等原因遲遲未能實(shí)現(xiàn),而陰極的氧還原催化劑更是研究的重中之重。目前所使用的最為廣泛的是貴金屬催化劑(如Pt/C),但由于金屬Pt資源有限,且價(jià)格十分高昂,使得研究新型的、價(jià)格低廉的、穩(wěn)定性高的氧還原催化劑成為了新一輪的研究熱點(diǎn)之一。本論文旨在使用價(jià)格低廉的非貴金屬,制備出具有良好氧還原活性的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極催化劑。文中采用具有高導(dǎo)電率以及耐腐蝕性好的納米氮化鈦?zhàn)鳛檩d體,分別負(fù)載鈷鉬、鐵鉬金屬,運(yùn)用改進(jìn)的溶膠—凝膠方法,在NH3氣氛中還原得到氮化鈦負(fù)載的鈷鉬/鐵鉬催化劑,并研究了其氧還原催化活性。其中,氮化鈦負(fù)載的鈷鉬催化劑Co-Mo-N/TiN,鈷鉬金屬的原料比例為nCo:nMo=1:1時(shí),熱處理溫度為650℃得到的催化劑在酸性介質(zhì)中的氧還原活性為最佳,氧還原的起始電位為0.372 V(vs.SCE),極限電流密度達(dá)2.215 mA·cm-2。此外,在相同的條件下比較了以導(dǎo)電炭黑(Vulcan XC-72)和納米氮化鈦為載體的催化劑的氧還原活性,得到以TiN為載體的Co-Mo-N/TiN在酸性條件下的活性更好。為進(jìn)一步研究Co-Mo-N/TiN催化劑的穩(wěn)定性,在80℃的0.5 mol·L-1H2SO4溶液中浸泡催化劑24h后測(cè)試了其氧還原的活性,結(jié)果顯示,酸處理后的催化劑仍保持了良好的氧還原活性且穩(wěn)定性良好。通過HRTEM測(cè)試可知Co-Mo-N在載體上的分布均勻,結(jié)合XRD和EDS分析,得到Co-Mo-N/TiN催化劑的主要組成為Co2N、Mo N和TiN,由于載體TiN與金屬氮化物Co2N、Mo N間的協(xié)同作用,使得催化劑Co-Mo-N/TiN表現(xiàn)出優(yōu)越于Co-Mo-N的氧還原性能。采用與Co-Mo-N/TiN催化劑相同的方法,制備了氮化鈦負(fù)載鐵鉬催化劑Fe-Mo-N/TiN,并研究催化劑的氧還原活性。經(jīng)EDS測(cè)試催化劑中的Fe、Mo含量較低,結(jié)合XRD與HRTEM分析,得到Fe-Mo-N/TiN催化劑的主要組成為Fe8N、Fe2O3、Mo5N6、Mo O3和TiN。氧還原活性測(cè)試結(jié)果顯示,鐵鉬金屬比例為nFe:nMo=2:1,金屬負(fù)載量為10%,熱處理溫度為700℃,制備的催化劑的氧還原活性為最好,起始電位為0.445 V(vs.SCE),極限電流密度達(dá)2.898 mA·cm-2,氧還原的電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.12,說明該樣品上的氧還原反應(yīng)主要是按四電子的路徑進(jìn)行的。
【關(guān)鍵詞】：氮化鈦 非貴金屬 氧還原
【學(xué)位授予單位】：廣州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36;TM911.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-27
• 1.1 前言11-12
• 1.2 燃料電池簡(jiǎn)介12-13
• 1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介13-16
• 1.3.1 質(zhì)子交換膜燃料電池的國內(nèi)外研究進(jìn)展13-14
• 1.3.2 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理14-15
• 1.3.3 質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)15-16
• 1.4 質(zhì)子交換膜燃料電池陰極催化劑16-24
• 1.4.1 陰極催化劑體系16-21
• 1.4.1.1 碳載鉑及鉑基合金催化劑16-18
• 1.4.1.2 含氮碳載過渡金屬催化劑18-19
• 1.4.1.3 過渡金屬硫化物催化劑19-20
• 1.4.1.4 過渡金屬氧化物催化劑20-21
• 1.4.2 陰極氧還原反應(yīng)機(jī)理21-24
• 1.5 氮化鈦載體24-25
• 1.6 本論文的研究目的、意義及內(nèi)容25-27
• 1.6.1 研究目的和意義25-26
• 1.6.2 研究?jī)?nèi)容26
• 1.6.3 論文創(chuàng)新點(diǎn)26-27
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分27-32
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑、材料及儀器27-28
• 2.1.1 主要實(shí)驗(yàn)試劑與材料27-28
• 2.1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器28
• 2.2 催化劑的制備28-29
• 2.2.1 氮化鈦負(fù)載鈷鉬催化劑28-29
• 2.2.2 氮化鈦負(fù)載鐵鉬催化劑29
• 2.3 催化劑的物理表征29-30
• 2.3.1 X射線衍射分析29
• 2.3.2 X射線能譜分析29
• 2.3.3 透射電子顯微鏡測(cè)試29-30
• 2.3.4 選區(qū)電子衍射30
• 2.3.5 比表面積測(cè)試30
• 2.4 催化劑的氧還原活性測(cè)試30-32
• 2.4.1 工作電極的制備30-31
• 2.4.2 電化學(xué)測(cè)試方法31-32
• 2.4.2.1 循環(huán)伏安法31
• 2.4.2.2 線性伏安法31
• 2.4.2.3 旋轉(zhuǎn)圓盤電極測(cè)試31-32
• 第三章 氮化鈦負(fù)載鈷鉬催化劑的制備與性能研究32-59
• 3.1 引言32
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分32-34
• 3.2.1 制備流程圖32-33
• 3.2.2 不同載體制備Co-Mo-N催化劑33
• 3.2.3 不同鈷鉬配比制備Co-Mo-N催化劑33
• 3.2.4 不同熱處理溫度制備Co-Mo-N催化劑33-34
• 3.2.5 酸處理Co-Mo-N催化劑34
• 3.3 載體對(duì)鈷鉬催化劑的性能影響34-38
• 3.3.1 X射線衍射分析34-35
• 3.3.2 氧還原活性測(cè)試35-38
• 3.4 鈷鉬配比對(duì)氮化鈦負(fù)載鈷鉬催化劑的性能影響38-42
• 3.4.1 X射線衍射分析38
• 3.4.2 X射線能譜分析38-39
• 3.4.3 氧還原活性測(cè)試39-42
• 3.5 熱處理溫度對(duì)氮化鈦負(fù)載鈷鉬催化劑的性能影響42-49
• 3.5.1 比表面積及孔結(jié)構(gòu)分析42-43
• 3.5.2 X射線衍射分析43
• 3.5.3 X射線能譜分析43-44
• 3.5.4 透射電子顯微鏡測(cè)試44-45
• 3.5.5 氧還原活性測(cè)試45-49
• 3.6 酸處理對(duì)氮化鈦負(fù)載鈷鉬催化劑的性能影響49-57
• 3.6.1 比表面積及孔結(jié)構(gòu)分析49-50
• 3.6.2 X射線衍射分析50-51
• 3.6.3 X射線能譜分析51-52
• 3.6.4 透射電子顯微鏡測(cè)試52-53
• 3.6.5 氧還原活性測(cè)試53-57
• 3.7 本章小結(jié)57-59
• 第四章 氮化鈦負(fù)載鐵鉬催化劑的制備與性能研究59-76
• 4.1 引言59
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分59-60
• 4.2.1 制備流程圖59
• 4.2.2 不同鐵鉬配比制備Fe-Mo-N催化劑59-60
• 4.2.3 不同熱處理溫度制備Fe-Mo-N催化劑60
• 4.2.4 不同鐵鉬負(fù)載量Fe-Mo-N催化劑的制備60
• 4.3 鐵鉬配比對(duì)氮化鈦負(fù)載鐵鉬催化劑的性能影響60-64
• 4.3.1 X射線能譜分析60-61
• 4.3.2 X射線衍射分析61
• 4.3.3 氧還原活性測(cè)試61-64
• 4.4 熱處理溫度對(duì)氮化鈦負(fù)載鐵鉬催化劑的性能影響64-69
• 4.4.1 X射線衍射分析65
• 4.4.2 比表面積測(cè)試65-66
• 4.4.3 X射線能譜分析66
• 4.4.4 透射電子顯微鏡測(cè)試66-68
• 4.4.5 氧還原活性測(cè)試68-69
• 4.5 負(fù)載量對(duì)氮化鈦負(fù)載鐵鉬催化劑的性能影響69-74
• 4.5.1 X射線衍射分析69-70
• 4.5.2 比表面積及孔結(jié)構(gòu)分析70-71
• 4.5.3 氧還原活性測(cè)試71-74
• 4.6 本章小結(jié)74-76
• 總結(jié)與展望76-78
• 參考文獻(xiàn)78-87
• 攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的論文87-88
• 致謝88

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 李建秋;方川;徐梁飛;;燃料電池汽車研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J];汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào);2014年01期

2 馮小保;黃明宇;問朋朋;賈中實(shí);倪紅軍;;燃料電池車及車用燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J];化工新型材料;2013年01期

3 陳清泉;;電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車的發(fā)展前景(英文)[J];汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào);2011年01期

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本文編號(hào)：551611