發(fā)布時間：2017-07-17 21:42

  本文關鍵詞：石墨烯負載非貴金屬錳催化劑的制備與ORR性能研究

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【摘要】：近些年來,隨著人口的日趨增多和工業(yè)化經濟的加速進程,對化石能源的需求不斷上漲,但化石能源屬于不可再生性的能源,終究有一天會被人們消耗殆盡。因此,我們迫切希望找到可以取代它的新型、環(huán)境友好可再生的新能源,以實現資源的長期發(fā)展。燃料電池(Fuel Cells)、鋰離子電池(Lithiumion Batter)、太陽能電池(Solar Cells)、金屬-空氣電池(Metal air Cells)和超級電容器(Supercapacitor)等電化學能源設備目前正受到人們廣泛的關注。燃料電池(Fuel Cell)具有很多優(yōu)點如能量密度較高、污染較小、使用壽命較長、操作很方便、可連續(xù)工作等,因此被認為是未來便攜式電子產品的替代能源之一。然而氧氣還原(Oxygen Reduction Reaction,ORR)催化劑嚴重限制了燃料電池的發(fā)展,所以燃料電池中的氧還原催化劑在提升其電池性能方面起著至關重要的作用。含鉑的電催化劑在氧還原反應中是催化性能最優(yōu)秀的催化劑之一,然而它也有很多局限性如成本很高、循環(huán)穩(wěn)定性不好、電子轉移動力學緩慢和自然存儲量少等,這些局限性制約了它作為燃料電池催化劑的商業(yè)化的發(fā)展過程。因此,廉價、環(huán)保、易于商業(yè)化的催化劑材料越來越成為燃料電池研究的重要內容之一。盡管關于氧還原催化劑的研究由來已久,但是在如何降低催化劑成本的前提下提高氧還原催化劑的活性和循環(huán)穩(wěn)定性仍然存在很多的挑戰(zhàn)。本文在總結以往氧還原催化的研究基礎上,開展了石墨烯基非貴金屬錳催化劑的制備及其在氧還原性能方面的研究:1、采用簡單便捷的水熱方法制備了MnO_2/rGN復合型催化材料。通過對MnO_2/rGN復合型催化劑進行電化學測試,結果表明:該催化劑具有優(yōu)秀的氧還原催化活性:不僅具有可以跟商業(yè)催化劑相媲美的起始電位和極限電流密度,而且擁有很好的循環(huán)穩(wěn)定性和較高的甲醇容納量。此外,該催化劑在催化過程中遵循“四電子反應途徑”,保障了它的催化效率。通過XRD、XPS、SEM和TEM等表征分析,認為:MnO_2/rGN復合催化劑材料是由MnO_2納米棒與薄層狀的石墨烯組成的。其中,石墨烯的主要作用是提升其電導率,減小內阻;二氧化錳(MnO_2)納米棒負載于石墨烯薄層上,它的作用是在電極表面快速的吸附氧并且催化其發(fā)生氧還原反應。二氧化錳擁中離子Mn4+可以提供正電荷來吸脫附氧并催化還原,石墨烯具有高的電導率、好的熱穩(wěn)定性能和大的比表面積,二者合成的復合催化劑具有優(yōu)勢互補的特性。與商業(yè)Pt/C催化劑相比,MnO_2/rGN復合材料催化劑具有較為優(yōu)越的電催化活性。2、采用回流的方法,以四水合氯化錳為錳源,以石墨烯為載體,制備了Mn_3O_4/rGO復合型催化劑。該催化劑經過電化學測試,也表現出良好的氧還原催化性能:起始電位約為-0.12 V(vs.SCE),極限電流約為4 mA/cm2,這與商業(yè)催化劑比較接近。此外還具有比較好的甲醇容納性和較好的循環(huán)穩(wěn)定性,催化過程也遵循“四電子反應途徑”。通過一系列的表征和分析,認為該催化劑能夠表現出如此優(yōu)秀的催化活性主要有三個因素:導電性非常高的石墨烯做載體;Mn_3O_4作為催化氧還原反應的主要活性物質(四氧化三錳可以使中間產物過氧化氫加速分解);二者之間的協(xié)同作用進一步提升了電催化活性。3、采用微波輔助的方法,制備了復合催化劑MG-15(Mn_3O_4/rGO),電化學測試結果顯示出良好的氧還原催化性能:具有比較正的起始電位,具有比較大的極限電流密度,具有防止甲醇毒化性能,而且具有比較好的循環(huán)穩(wěn)定性。通過表征分析,可知該復合催化劑中Mn_3O_4以納米顆粒的方式均勻分布在石墨烯薄層上,形成夾層式結構。而這種結構的形成,一方面可以有效防止石墨烯團聚,另一方面也能夠促進Mn_3O_4的更高效利用。
【關鍵詞】：燃料電池 氧還原催化劑 二氧化錳 四氧化三錳 石墨烯
【學位授予單位】：新疆大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36
【目錄】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 第一章 緒論8-19
• 1.1 燃料電池簡介9-12
• 1.1.1 燃料電池概述9
• 1.1.2 燃料電池分類9-12
• 1.2 質子交換膜燃料電池（PEMFCs）12-13
• 1.2.1 質子交換膜型燃料電池的工作機理12-13
• 1.2.2 質子交換膜型燃料電池的現實發(fā)展狀況13
• 1.3 質子燃料電池的催化劑的特點及氧還原催化機理13-16
• 1.3.1 質子交換膜型燃料電池ORR催化劑13-14
• 1.3.2 氧還原催化反應的機理14-16
• 1.4 本論文的研究內容及意義16-19
• 1.4.1 研究意義16-17
• 1.4.2 研究內容17-19
• 第二章 實驗所需的試劑、儀 器以及測試手段19-26
• 2.1 實驗試劑、儀器19-21
• 2.1.1 實驗儀器19
• 2.1.2 實驗試劑19-21
• 2.2 催化劑的物理表征及實驗設備21-22
• 2.2.1 X-射線粉末衍射（XRD）21
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）21
• 2.2.3 透射電子顯微鏡（TEM）21-22
• 2.2.4 拉曼光譜（Raman spectrum）22
• 2.2.5 X-射線光電子能譜（XPS）22
• 2.3 催化劑的電化學性能測試22-26
• 2.3.1 玻碳電極預處理22-23
• 2.3.2 工作電極制備23
• 2.3.3 三電極裝置23-24
• 2.3.4 電化學測試24-26
• 第三章 二氧化錳/氮雜石墨烯復合催化劑材料的制備及氧還原電催化性能研究26-36
• 3.1 引言26-27
• 3.2 實驗部分27-28
• 3.2.1 儀器和試劑27
• 3.2.2 實驗方法27-28
• 3.3 實驗結果與討論28-36
• 3.3.1 催化劑的結構表征28-32
• 3.3.2 催化劑電學性能表征32-36
• 第四章 四氧化三錳和石墨烯復合材料催化劑的制備及氧還原電催化性能研究36-47
• 4.1 引言36
• 4.2 實驗部分36-38
• 4.2.1 儀器和試劑36-37
• 4.2.2 實驗方法37-38
• 4.3 實驗結果與討論38-46
• 4.3.1 實驗條件的探究38-40
• 4.3.2 催化劑的結構與形貌表征40-43
• 4.3.3 電化學性能表征43-46
• 4.4 本章小結46-47
• 第五章 微波輔助方法制備四氧化三錳和石墨烯復合材料的催化劑及其氧還原電催化性能研究47-57
• 5.1 引言47
• 5.2 實驗部分47-49
• 5.2.1 儀器和試劑47-48
• 5.2.2 實驗內容48-49
• 5.3 實驗結果與討論49-56
• 5.3.1 實驗條件的探究49
• 5.3.2 物理表征49-52
• 5.3.3 電化學表征52-56
• 5.4 本章小結56-57
• 全文總結57-59
• 參考文獻59-69
• 附錄1 碩士期間發(fā)表的論文69-70
• 附錄2 致謝70-71

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