【摘要】：燃料電池是一種很有發(fā)展前景的能源利用裝置,得到了廣泛關注。燃料電池反應過程的陰極氧還原反應(ORR)進行較為緩慢,電化學催化劑用來提高反應的效率和催化性能,ORR電化學催化劑的改進對燃料電池的快速發(fā)展是十分有必要的。我們的研究目標是合成用于ORR催化反應的催化劑,主要是新型高催化性的氮摻雜碳基電催化劑,包括氮摻雜碳材料和金屬氮摻雜碳材料。sp2雜化碳原子的二維碳材料石墨烯,是一種具有獨特的形貌、有較大的比表面積,含有功能化的官能團的一類碳材料,擁有較好的穩(wěn)定性和導電性,現(xiàn)用于ORR催化劑的研究也比較廣泛。首先,通過改性休克爾方法合成氧化石墨烯(GO);然后以GO為碳基,聚吡咯(Ppy)提供氮源,進行氮摻雜改性合成氮摻雜材料Ppy/GO。相比GO的催化活性,Ppy/GO的催化活性得到提高,Ppy/GO起始電位為-0.20V(vs SCE),陰極電流電位為-0.38 V(vs SCE)。說明N摻雜對提高GO的ORR催化活性是有效的方法。隨后,在600℃氮氣保護下,對Ppy/GO進行煅燒,得到具有二維片層形貌的Ppy/GO-600,起始電位和陰極電流電位分別是-0.10 V(vs SCE)和-0.30 V(vs SCE)。結果表明高溫處理改善ORR催化性能也是有效的方式,它更加利于形成活性位點,促進了電極上的電子或電荷轉移,從而使得ORR反應更加容易進行。氮化碳作為一種典型的無金屬催化劑材料,我們選擇用氮化碳作為摻氮碳載體,用熱聚合法合成了具有高比表面積的g-C_3N_4,為了進一步提高電催化性能,我們采用均相摻雜對g-C_3N_4材料進行金屬摻雜的改性,通過金屬無機鹽和金屬有機物進行鐵、銅的嫁接合成了摻氮碳材料Fe/g-C_3N_4、Cu/g-C_3N_4。在堿性條件下考察它們的ORR活性。結果表明g-C_3N_4的起始電位與電流電位分別為-0.30V(vs SCE)、-0.42V(vs SCE),在轉速為1600 rpm時,在-0.1 V下的電流密度為0.85 mA cm~(-2)。結合Koutecky-Levich方程,對所測得的ORR極化曲線分析,得到反應中電子轉移數(shù)為3.5。通過金屬有機合成得到的Fe/g-C_3N_4、Cu/g-C_3N_4的起始電位分別為-0.20 V(vs SCE)、-0.28 V(vs SCE),陰極電流電位分別為-0.32 V(vs SCE)和-0.38 V(vs SCE),在轉速為1600 rpm時,在-0.1V下的電流密度分別為1.40 m A cm~(-2)和1.55 mA cm~(-2),電子轉移數(shù)分別為2.5、3.6。說明我們通過金屬有機物合成嫁接金屬的g-C_3N_4的電催化性能有了明顯的提高。通過無機強酸可逆地質子化g-C_3N_4。質子化可以改善g-C_3N_4的可溶性、分散性、電子結構及比表面積。因此我們用強氧化性濃硫酸對g-C_3N_4進行質子化,得到nano-g-C_3N_4,也通過采用均相摻雜的方法對nano-g-C_3N_4材料進行改性,合成了Fe/nano-g-C_3N_4、Cu/nano-g-C_3N_4。結果表明:nano-g-C_3N_4的起始電位和陰極電流電位分別為-0.30V(vs SCE)、-0.42V(vs SCE),在轉速為1600 rpm時,在-0.1 V下的電流密度為1.75 mA cm~(-2)。金屬有機物合成得到的Fe/nano-g-C_3N_4、Cu/nano-g-C_3N_4的起始電位分別為-0.28 V(vs SCE)、-0.28 V(vs SCE),陰極電流電位分別為-0.38 V(vs SCE)和-0.35 V(vs SCE),電流密度分別為2.55 mA cm~(-2)和1.8 mA cm~(-2)。說明我們通過金屬Fe有機物合成的嫁接金屬的g-C_3N_4的電催化性能有了明顯的提高。為了提高g-C_3N_4、nano-g-C_3N_4的氮含量,將它們分別與一定比例的吡咯/乙醇溶液進行水熱反應制備Ppy/g-C_3N_4、Ppy/nano-g-C_3N_4。結果表明:Ppy/g-C_3N_4的起始電位和陰極電流電位分別為-0.28V(vs SCE)、-0.35V(vs SCE),在轉速1600 rpm時,在-0.1V下的電流密度為1.40 m A cm~(-2);Ppy/nano-g-C_3N_4的起始電位和陰極電流電位分別為-0.30 V(vs SCE)和-0.35 V(vs SCE),電流密度為2.0 mA cm~(-2)。說明提高氮含量對ORR性能有一定的效果。綜上,我們分別將氧化石墨烯和氮化碳作為碳基催化劑,對其進行金屬摻雜,并對其進行氧還原催化性能研究,獲得在不同轉速下的循環(huán)伏安曲線和極化曲線。根據(jù)圖像得出它們各自的起始電位和陰極電流電位,以及在相同轉速、相同電壓下的電流密度值的大小。在堿性電解質中,氮摻雜碳基催化劑有很好的性能。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TM911.4

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 劉建國,孫公權;燃料電池概述[J];物理;2004年02期

2 畢道治;中國燃料電池的發(fā)展[J];電源技術;2000年02期

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本文編號：2610730