本文關鍵詞：高溫熱解Fe-g-C_3N_4@C作為燃料電池陰極氧還原非貴金屬催化劑的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：燃料電池陰極氧還原(ORR)動力學過程緩慢，造成嚴重的陰極過電位，需要比陽極更多的Pt作為催化劑，但Pt價格昂貴儲量有限且易毒化，嚴重限制了燃料電池的商業(yè)化發(fā)展。因此，尋找廉價高效和高抗毒化能力的非貴金屬催化劑來替代Pt，從而推動燃料電池的商業(yè)化發(fā)展顯得尤為重要。 本文通過以類石墨相氮化碳(g-C3N4)為氮源，以Fe鹽為金屬源，分別以超導電碳黑KetjenBlack EC-600JD(簡稱KB)為單一載體，以及碳黑/石墨烯(KB/rGO)為復合載體，通過高溫熱解的方法制備了在酸性體系中具有高ORR活性和穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑，根據(jù)載體不同分別將催化劑標記為p-Fe-g-C3N4@KB和p-Fe-g-C3N4@KB/rGO。本文考察了熱解溫度、Fe摻雜量、復合碳載體比例等因素對催化劑結(jié)構(gòu)和ORR性能的影響。利用旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)和旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)，采用循環(huán)伏安(CV)、加速衰減實驗(ADT)方法測試催化劑的氧還原催化活性、H2O2產(chǎn)率和穩(wěn)定性，通過EDS、XRD、IR、TG、XPS、BET、SEM、TEM、STEM等手段對催化劑的組成、物相結(jié)構(gòu)、表面形貌等、比表面積以及孔徑分布等進行表征，分析影響催化劑ORR性能的主要因素，并進一步探索催化劑可能的活性中心。 ORR性能測試結(jié)果表明：若以KB為單一碳載體，，當熱解溫度為750℃、Fe摻雜量為10%時，催化劑的ORR性能達到最優(yōu)，質(zhì)量動力電流為7.2mAmg-1@0.75V，基本接近四電子過程，且穩(wěn)定性高于商業(yè)Pt/C；當以KB/rGO為復合載體時，催化劑的活性和穩(wěn)定性都得到極大提高，質(zhì)量動力電流高達18.5mA mg-1@0.75V，是p-Fe-g-C3N4@KB的2.5倍，ADT測試4000圈后其半波電位才負移了35mV，而p-Fe-g-C3N4@KB則負移了102mV，即p-Fe-g-C3N4@KB/rG復合載體催化劑的ORR活性和穩(wěn)定性要遠遠高于單一載體的p-Fe-g-C3N4@KB催化劑。 物理表征結(jié)果表明：(1)催化劑的比表面積、N摻雜類型、金屬顆粒的粒徑、分布以及催化劑的納米結(jié)構(gòu)都是影響催化劑ORR性能的關鍵因素；(2)N摻雜金屬顆粒以及N摻雜碳載體都是ORR活性中心；(3)當以KB/rGO為復合載體時，催化劑在熱解過程中會在石墨烯片層間形成碳納米管封裝金屬顆粒的納米結(jié)構(gòu)，以及少層石墨烯包裹金屬顆粒的核殼結(jié)構(gòu)，這些原位形成的納米結(jié)構(gòu)一方面可以防止石墨烯片層的堆疊，更好地利用石墨烯高比表面積高導電性的優(yōu)點，從而提高催化劑的ORR活性，另一方面可以很好地保護金屬顆粒不受酸液的腐蝕，從而提高催化劑的穩(wěn)定性；(4)O、S的共摻雜可起到協(xié)同作用進一步提高催化劑的ORR活性。
【關鍵詞】：燃料電池 氧還原 非貴金屬催化劑 類石墨相氮化碳 復合碳載體 原位形成
【學位授予單位】：華僑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM911.4;O643.36
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-24
• 1.1 研究背景10
• 1.2 燃料電池10-14
• 1.2.1 燃料電池概述10-11
• 1.2.2 燃料電池結(jié)構(gòu)和工作原理11-12
• 1.2.3 燃料電池陰極氧還原過程12-13
• 1.2.4 氧氣還原的機理13-14
• 1.3 燃料電池陰極氧還原(ORR)催化劑14-18
• 1.3.1 貴金屬 ORR 催化劑14-15
• 1.3.2 非金屬 ORR 催化劑15-16
• 1.3.3 非貴金屬 ORR 催化劑的研究進展16-18
• 1.4 類石墨相氮化碳(g-C_3N_4)18-22
• 1.4.1 g-C_3N_4的結(jié)構(gòu)、制備和性質(zhì)19-21
• 1.4.2 類石墨相氮化碳在燃料電池氧還原中的應用21-22
• 1.5 本課題的提出22-24
• 1.5.1 依據(jù)和意義22-23
• 1.5.2 研究內(nèi)容23-24
• 第2章 實驗內(nèi)容與研究方法24-38
• 2.1 主要化學試劑和測試儀器24-26
• 2.2 催化劑的制備26-29
• 2.2.1 氧化石墨烯的制備26-27
• 2.2.2 碳黑(KB)的前處理27-28
• 2.2.3 前驅(qū)體的混合28
• 2.2.4 高溫熱解過程28-29
• 2.3 催化劑的物理表征技術(shù)和儀器29-33
• 2.3.1 X 射線衍射分析(XRD)29
• 2.3.2 X 射線光電子能譜(XPS)29-30
• 2.3.3 掃描電子顯微鏡(SEM)及電子能譜(EDS)30
• 2.3.4 透射電子顯微鏡(TEM)30-31
• 2.3.5 熱重-差熱分析(TG-MS)31
• 2.3.6 N_2等溫吸脫附(BET)31-32
• 2.3.7 傅立葉變換紅外光譜(FTIR)32-33
• 2.4 催化劑的 ORR 性能測試技術(shù)、儀器和方法33-38
• 2.4.1 可逆氫電極和氧還原電解池33-34
• 2.4.2 循環(huán)伏安技術(shù)(CV)34
• 2.4.3 工作電極的制備34-35
• 2.4.4 催化劑 ORR 活性的測試—旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)35
• 2.4.5 催化劑 ORR 選擇性的測試—旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)35-36
• 2.4.6 催化劑 ORR 耐久性測試—加速衰減測試(ADT)36-38
• 第3章 熱解碳黑負載 Fe-g-C_3N_4作為 ORR 催化劑38-60
• 3.1 p-Fe-g-C_3N_4@KB 催化劑的制備38-39
• 3.2 p-Fe-g-C_3N_4@KB 催化劑的物理表征39-50
• 3.2.1 催化劑熱解過程的表征與分析39-42
• 3.2.2 熱解理溫度對催化劑結(jié)構(gòu)的影響42-47
• 3.2.3 Fe 摻雜量對催化劑結(jié)構(gòu)的影響47-49
• 3.2.4 小結(jié)49-50
• 3.3 p-Fe-g-C_3N_4@KB 催化劑的 ORR 性能測試50-55
• 3.3.1 催化劑負載量對 ORR 活性和選擇性的影響50
• 3.3.2 熱解溫度對催化劑 ORR 活性和選擇性的影響50-52
• 3.3.3 Fe 摻雜量對催化劑 ORR 活性和選擇性的影響52-53
• 3.3.4 催化劑的耐久性測試53-55
• 3.3.5 小結(jié)55
• 3.4 催化劑活性中心探索55-57
• 3.5 本章小結(jié)57-60
• 第4章 熱解碳黑/石墨烯復合碳材料負載的 Fe-g-C_3N_4作為 ORR 催化劑60-84
• 4.1 還原氧化石墨烯(rGO)的制備與表征60-62
• 4.2 p-Fe-g-C_3N_4@KB/rGO 催化劑的制備62-63
• 4.3 p-Fe-g-C_3N_4@KB/rGO 催化劑的物理表征63-75
• 4.3.1 碳載體對催化劑結(jié)構(gòu)的影響63-69
• 4.3.2 Fe 摻雜量對催化劑結(jié)構(gòu)的影響69-70
• 4.3.3 熱處理溫度對催化劑結(jié)構(gòu)的影響70-74
• 4.3.4 小結(jié)74-75
• 4.4 p-Fe-g-C_3N_4@KB/rGO 催化劑的 ORR 性能測試75-80
• 4.4.1 碳載體對催化劑 ORR 活性和選擇性的影響75-77
• 4.4.2 Fe 摻雜量對催化劑 ORR 活性和選擇性的影響77
• 4.4.3 不同熱處理溫度對催化劑 ORR 活性和選擇性的影響77-78
• 4.4.4 催化劑的耐久性測試78-80
• 4.4.5 小結(jié)80
• 4.5 催化劑活性中心探索80-83
• 4.6 本章小結(jié)83-84
• 第5章 總結(jié)與展望84-86
• 5.1 總結(jié)84-85
• 5.2 展望85-86
• 參考文獻86-96
• 致謝96-98
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術(shù)論文和研究成果98

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李超;楊書廷;謝冰;徐甲強;曹傳寶;朱鶴孫;;氮化碳的合成與性能研究進展[J];材料導報;2005年10期

2 唐致遠,宋世棟,劉建華;質(zhì)子交換膜燃料電池電極催化劑的研究進展[J];電源技術(shù);2003年01期

3 孫大強,毛宗強;質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件研究[J];電源技術(shù);2003年02期

4 鄭重德,王豐,胡濤,王守緒,何為,王偕恕,王豪才;質(zhì)子交換膜燃料電池研究進展[J];電源技術(shù);1998年03期

5 衣寶廉;燃料電池現(xiàn)狀與未來[J];電源技術(shù);1998年05期

6 孟雅麗;陳丹;宋文喬;辛鋼;;類石墨結(jié)構(gòu)氮化碳的合成及其應用[J];廣州化工;2010年08期

7 王濤;司玉軍;;層狀石墨相g-C_3N_4氮化碳的簡易制備和表征[J];材料導報;2012年S1期

8 李述中;李超;徐甲強;孫雨安;楊書廷;曹傳寶;朱鶴孫;;氮化碳材料的研究進展[J];河南師范大學學報(自然科學版);2006年01期

9 ;Carbon-nitrogen/graphene composite as metal-free electrocatalyst for the oxygen reduction reaction[J];Chinese Science Bulletin;2011年33期

10 張麗彬;陳曉寧;吳文健;高洪濤;;質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展前景探討[J];農(nóng)業(yè)工程技術(shù)(新能源產(chǎn)業(yè));2011年04期

  本文關鍵詞：高溫熱解Fe-g-C_3N_4@C作為燃料電池陰極氧還原非貴金屬催化劑的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：260793