本文關(guān)鍵詞：鉑基合金嵌入石墨烯納米孔的原位合成及電催化性能研究

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【摘要】：燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、可大規(guī)模運用和零排放等優(yōu)點,在燃料電池車和便攜式移動電源領(lǐng)域具有廣闊前景。然而,燃料電池陰極氧還原反應(yīng)催化劑存在的價格昂貴、循環(huán)穩(wěn)定性差等問題限制著燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用。本文針對以上問題,從提高鉑的利用率和增強載體與粒子之間相互作用的角度出發(fā),用簡單實用的方法原位合成了鉑合金嵌入氮摻雜石墨烯納米孔結(jié)構(gòu)的石墨烯復(fù)合催化劑并系統(tǒng)研究了石墨烯孔的引入對氧還原反應(yīng)的影響。主要研究內(nèi)容如下:(1)首次引入酞菁鉑為鉑前驅(qū)體,利用氮氣焙燒的方法原位合成出了鉑鈷納米粒子嵌入氮摻雜石墨烯納米孔結(jié)構(gòu)的催化劑。通過調(diào)控反應(yīng)的溫度,推測了石墨烯納米孔的形成機制。結(jié)果表明:高溫焙燒時,酞菁鉑的分解產(chǎn)生的氣體會氧化酞菁鉑附近石墨烯表面的碳原子,從而產(chǎn)生石墨烯納米孔。在堿性電解質(zhì)條件下,該催化劑體現(xiàn)了11.5倍高于商業(yè)Pt/C的質(zhì)量活性,而且經(jīng)過2000次循環(huán)之后,催化劑的能量損失只有5%,遠低于Pt/C催化劑的能量損失。(2)在以上工作的基礎(chǔ)上,為了進一步提高鉑的利用率,以氯化鐵為鐵源,經(jīng)過焙燒和稀酸處理,成功制備出了多孔鉑鐵納米粒子嵌入氮摻雜石墨烯納米孔結(jié)構(gòu)的催化劑。研究表明,由于石墨烯孔和納米粒子孔的引入,這種特殊“雙孔”結(jié)構(gòu)的催化劑不僅充分暴露了反應(yīng)活性位,而且有利于增強反應(yīng)的傳質(zhì),進而提高催化反應(yīng)性能。得益于此,該催化劑在氧還原反應(yīng)和析氫反應(yīng)中都體現(xiàn)了優(yōu)于商業(yè)Pt/C的電催化性能。(3)通過焙燒法制備得到了氮摻雜碳包覆鈷的氮磷復(fù)合納米粒子。物理表征顯示磷化鈷及氮化鈷共同存在于單個納米顆粒內(nèi)。這種特殊結(jié)構(gòu)的納米顆粒被均勻地分布在氮摻雜石墨烯基底上。電化學(xué)測試表明該催化劑可同時高效地催化氧還原反應(yīng)和析氧反應(yīng),并表現(xiàn)出優(yōu)異的起始電位,較大的電流密度及出色的穩(wěn)定性。據(jù)統(tǒng)計該催化劑是現(xiàn)有雙功能催化劑中效率最高的催化劑之一,這得益于氮磷復(fù)合納米粒子與富氮結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同作用。
【關(guān)鍵詞】：燃料電池 氧還原反應(yīng) 原位合成 納米孔石墨烯 鉑合金
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36;TM911.4
【目錄】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-37
• 1.1 燃料電池研究背景與意義13
• 1.2 燃料電池簡介13-18
• 1.2.1 燃料電池發(fā)展簡史13-14
• 1.2.2 燃料電池的結(jié)構(gòu)、基本原理14-15
• 1.2.3 燃料電池分類與特點15-18
• 1.3 堿性燃料電池陰極催化劑簡介18-31
• 1.3.1 鉑基催化劑19-26
• 1.3.2 非貴金屬催化劑26-31
• 1.4 納米孔石墨烯基復(fù)合催化劑31-34
• 1.5 選題依據(jù)與研究內(nèi)容34-37
• 第二章 實驗方法37-43
• 2.1 實驗試劑與儀器37-38
• 2.1.1 實驗試劑37-38
• 2.1.2 實驗儀器38
• 2.2 催化劑表征38-40
• 2.2.1 X射線粉末衍射38-39
• 2.2.2 透射電子顯微鏡39
• 2.2.3 掃描電子顯微鏡39
• 2.2.4 熱重分析39
• 2.2.5 X射線光電子能譜39-40
• 2.2.6 比表面積和孔徑分布40
• 2.3 電化學(xué)性能測試40-43
• 2.3.1 氧還原反應(yīng)性能測試40-41
• 2.3.2 析氧反應(yīng)性能測試41-42
• 2.3.3 析氫反應(yīng)性能測試42-43
• 第三章 鉑鈷合金嵌入石墨烯納米孔的原位合成及電催化性能研究43-59
• 3.1 引言43-44
• 3.2 鉑鈷合金嵌入石墨烯納米孔催化劑的制備44-45
• 3.3 結(jié)構(gòu)表征結(jié)果與討論45-51
• 3.3.1 掃描電鏡45
• 3.3.2 透射電鏡45-47
• 3.3.3 X射線粉末衍射47-48
• 3.3.4 X射線光電子能譜48-50
• 3.3.5 比表面積和孔徑分布50-51
• 3.4 氧還原反應(yīng)測試結(jié)果與討論51-57
• 3.4.1 循環(huán)伏安測試和線性伏安測試51-54
• 3.4.2 轉(zhuǎn)移電子數(shù)和質(zhì)量活性54
• 3.4.3 塔菲爾曲線和阻抗測試54-55
• 3.4.4 穩(wěn)定性測試55-57
• 3.4.5 密度泛函理論計算57
• 3.5 本章小結(jié)57-59
• 第四章 多孔鉑鐵合金嵌入石墨烯納米孔的原位合成及電催化性能研究59-73
• 4.1 引言59-60
• 4.2 多孔鉑鐵合金嵌入石墨烯納米孔催化劑的制備60-61
• 4.3 結(jié)構(gòu)表征結(jié)果與討論61-64
• 4.3.1 透鏡電鏡61
• 4.3.2 X射線粉末衍射61-63
• 4.3.3 X射線光電子能譜63-64
• 4.4 氧還原反應(yīng)測試結(jié)果與討論64-69
• 4.4.1 循環(huán)伏安測試和線性伏安測試64-66
• 4.4.2 轉(zhuǎn)移電子數(shù)和質(zhì)量活性66-67
• 4.4.3 塔菲爾曲線67-68
• 4.4.4 穩(wěn)定性測試68-69
• 4.5 析氫反應(yīng)測試結(jié)果與討論69-71
• 4.5.1 線性伏安測試和塔菲爾曲線69-70
• 4.5.2 循環(huán)伏安測試70
• 4.5.3 穩(wěn)定性測試70-71
• 4.6 本章小結(jié)71-73
• 第五章 氮磷化鈷復(fù)合粒子嵌入氮摻雜碳層催化劑的合成及電催化性能研究73-91
• 5.1 引言73-74
• 5.2 磷化鈷氮化鈷復(fù)合粒子嵌入氮摻雜碳層催化劑的制備74-75
• 5.3 結(jié)構(gòu)表征結(jié)果與討論75-81
• 5.3.1 透鏡電鏡和掃描電鏡75-77
• 5.3.2 X射線粉末衍射77-78
• 5.3.3 X射線光電子能譜78-80
• 5.3.4 熱重分析80-81
• 5.4 氧還原反應(yīng)測試結(jié)果與討論81-86
• 5.4.1 循環(huán)伏安測試81-82
• 5.4.2 線性伏安曲線82-84
• 5.4.3 轉(zhuǎn)移電子數(shù)和質(zhì)量活性84
• 5.4.4 塔菲爾曲線84-85
• 5.4.5 穩(wěn)定性測試85-86
• 5.5 析氧反應(yīng)性能及討論86-90
• 5.5.1 線性伏安測試86-87
• 5.5.2 塔菲爾曲線和電化學(xué)阻抗87-89
• 5.5.3 穩(wěn)定性測試89-90
• 5.6 本章小結(jié)90-91
• 第六章 結(jié)論與展望91-93
• 6.1 結(jié)論91-92
• 6.2 本文主要創(chuàng)新點92
• 6.3 展望92-93
• 參考文獻93-105
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文105-106
• 致謝106

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