【摘要】：陰極氧還原反應(yīng)(oxygen reduction reaction,ORR)是決定燃料電池效率的關(guān)鍵步驟之一。該領(lǐng)域的研究熱點是尋找高效的非貴金屬催化劑替代目前的商用貴金屬催化劑。本文圍繞氮摻雜碳負載非貴金屬催化劑的制備與性能展開研究,結(jié)合XRD、XPS、Raman等表征和電化學測試,重點考察催化劑組成和結(jié)構(gòu)與其在堿性介質(zhì)中的ORR催化性能之間的關(guān)系。首先,以羥高血紅素作為金屬前驅(qū)體和氮源,不同碳材料為載體,采用一次浸漬-高溫熱解法制備了氮摻雜碳負載Fe催化劑,系統(tǒng)地研究了羥高血紅素用量和載體種類對催化劑組成、結(jié)構(gòu)及性能的影響。發(fā)現(xiàn),以碳粉為載體、當羥高血紅素用量為4%(以Fe含量計)時,所制備的催化劑達到最高的起波電勢E_(onset)=-60mV和半波電勢E_(1/2)=-170mV(vs Ag/AgCl)及4e轉(zhuǎn)移選擇性。在羥高血紅素用量相同時,以石墨烯和碳粉為載體制備的催化劑較以碳納米管為載體的催化劑具有更好的催化性能。然后,以多巴胺為氮源、過渡金屬硝酸或醋酸鹽為前驅(qū)體,采用一鍋法制備了氮摻雜碳納米管負載過渡金屬催化劑。發(fā)現(xiàn)石墨化程度和氮含量主要影響催化劑的活性;金屬存在形式影響催化劑的選擇性。負載Mn的催化劑表現(xiàn)出了最優(yōu)的ORR催化性能(E_(onset)=-100mV,E_(1/2)=-170mV,vs Ag/AgCl,轉(zhuǎn)移電子數(shù)為4.12),負載Co的催化劑次之。負載Ni和Fe的催化劑具有較低的石墨化程度和氮含量,并且含有單質(zhì)態(tài)金屬,因而表現(xiàn)了較低的ORR活性和選擇性。最后,采用二次浸漬-高溫熱解法制備了氮摻雜碳納米管負載Fe催化劑,研究了氮源和二次熱解溫度對催化劑結(jié)構(gòu)和ORR性能的影響。發(fā)現(xiàn)分別以多巴胺和1,10-菲Up啉為一次和二次浸漬氮源、600?C熱解,可顯著提高催化劑的總氮含量和吡啶氮比例、減少單質(zhì)Fe含量,從而改善催化劑的性能。與一鍋法制備的催化劑相比,E_(1/2)正移123 mV,轉(zhuǎn)移電子數(shù)由3.41提高到3.75。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TM911.4

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本文編號：2628008