隨著化石燃料的快速消耗和環(huán)境問題的日益嚴重,開發(fā)清潔可持續(xù)的新型能源儲存和轉(zhuǎn)換技術是當今世界研究的重要前沿課題。燃料電池和鋅空氣液流電池等新型能源裝置由于其能量轉(zhuǎn)換效率高和環(huán)境可持續(xù)性等優(yōu)點,被認為是解決未來能源和環(huán)境問題的重要戰(zhàn)略途徑。目前,貴金屬鉑基催化劑仍是燃料電池和鋅空氣液流電池等新型能源裝置的電極反應的主要催化劑。然而,鉑的價格昂貴,稀缺和耐久性差等問題嚴重阻礙了燃料電池系統(tǒng)在實際中的廣泛應用。作為燃料電池和鋅空氣液流電池的關鍵反應,陰極電極上的氧還原反應（ORR）的反應動力學緩慢,需要大量昂貴的鉑基電催化劑提高反應動力學。因此,發(fā)展廉價高活性的非貴金屬氧還原反應催化劑是實現(xiàn)燃料電池商業(yè)應用最有希望的策略之一。本文以非貴金屬催化劑為研究對象,從金屬團聚,活性位點暴露,質(zhì)量傳輸與催化劑結(jié)構(gòu)精準調(diào)控等問題入手,通過實驗與理論相結(jié)合,我們對催化劑的活性位點系統(tǒng)深入的分析,并成功制備了一系列高活性氧還原催化劑,具體的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:（1）納米限域空間制備高性能氧還原催化劑。非貴金屬催化劑在高溫碳化過程中會出現(xiàn)金屬顆粒團聚問題,不利于活性位點的暴露,導致活性位點利用率降低而影響其... 

【文章來源】：北京化工大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：159 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１－１?２０２５年輕型車輛應用的目標

?第一章緒論???鹽還原為金屬鋅。電池電勢為１．６５Ｖ，發(fā)生的電池反應可以表示為??陰極反應：??ｉ〇２＋Ｈ２０＋２ｅ－－＞２０Ｈ＇?（Ｅ°＝０．４?Ｖ?ｖｓ．?ＳＨＥ）??陽極反應：??Ｚｎ＋４０ＨＴ－２ｅ－—Ｚｎ（ＯＨ亡（Ｅ°＝－ｌ＿２５?Ｖｖｓ．?ＳＨＥ）??Ｚｎ（０Ｈ）＾Ｚｎ０＋Ｈ２０＋２０Ｈ＇??總反應：??Ｚｎ＋＾０２－？Ｚｎ０?（Ｅ°＝１．６５Ｖ）??相比更快的陽極反應動力學，陰極的ＯＲＲ發(fā)生在三相反應區(qū)（催化劑－電解質(zhì)－氣??體），以及氧析出反應（ＯＥＲ）發(fā)生在兩相邊界（催化劑－電解質(zhì)），這兩個反應本質(zhì)上??是動力學遲緩的，因此需要高活性的電催化劑的幫助［３６，３７］。??？■＊???ｅ．．??ｆｒｒ?１１?？Ｔ１??？?丄、?一?｜丨｜?Ｉ?ｄ?ｆｅｐａｒａｔ〇ｒ—Ｉ?？??丨：ｆ９?扁（：?１??－丨：〇Ｒ?１??Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?；?；?＼??＊?Ｍｅｔａｌ?ｌｕ：?－Ａｉｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ??ｊ?ａ???—／＼——?乂??Ｐｕｍｐ??圖１－３金屬空氣液流電池原理圖［３４］??Ｆｉｇ．?１?－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｍｅｔａｌ－ａｉｒ?ｆｌｏｗ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ＾３４１??１．４非貴金屬催化劑研究進展??在ＰＥＭＦＣ中，鉑族金屬（ＰＧＭ）催化劑仍然是目前催化效率最高的ＯＲＲ催化??劑。美國能源部２０２５年ＰＧＭ催化劑的整體電池活性目標為沒）．１０ｇ／ｋＷ＠１５０ｋＰａ，質(zhì)??５??

．４４?Ａ／ｍｇ?ＰＧＭ＠０．９?ＶｉＲ－ｆｒｅｅ［３８］。鈾基膜電極的主要挑戰(zhàn)是成本和持久性。??由于鉑的稀缺性和高昂的價格，這阻礙了基于鉑基的ＰＥＭＦＣ的全球商業(yè)化。ＰＧＭ催??化劑的Ｐｔ在高侵蝕性操作條件下的耐久性差，這是由Ｐｔ納米顆粒的溶解，燒結(jié)和結(jié)??塊等問題引起的，這不可避免地導致電化學表面積減小和ＯＲＲ性能損失［３９，＇此外，??Ｐｔ對氫燃料中的雜質(zhì)（如ＣＯ和Ｈ２Ｓ等）和空氣中的污染物（如ＮＯｘ和ＳＯｘ等）很??敏感，導致催化性能下降，有時會永久損壞膜電極組件［４１］。如圖１－４所示，為了降低??Ｐｔ的使用量，低鈾族金屬（ｌｏｗ－ＰＧＭ）催化劑和無ＰＧＭ催化劑都在研究中，以提高??穩(wěn)定性和降低成本［４２］。盡管現(xiàn)在可以通過使用Ｐｔ合金或使用支撐材料制造核殼結(jié)構(gòu)??來減少所需的Ｐｔ量，同時可以提高Ｐｔ基催化劑的固有活性和穩(wěn)定性［４３４７］，但以低成??本進行大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)仍面臨挑戰(zhàn)。從長遠來看，廉價、高活性和穩(wěn)定的非貴金屬??催化劑更容易實現(xiàn)ＰＥＭＦＣ的大規(guī)模商業(yè)化。幾十年來，通過開發(fā)創(chuàng)新的合成方法和??材料，人們研宄了各種非貴金屬催化劑來代替昂貴的鉑基催化劑，對ＯＲＲ的機理理??解也有了很大的進步，且新的催化劑合成概念和催化活性方面取得了重大突破。??Ｌｏｗ?ＰＧＭ?ｃａｔａｌｙｓｔｓ?ＰＧＭ－ｆｒｅｅ?ｃａｔａｌｙｓｔｓ??ＩＰ??Ｐｔ?ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ?１?Ｍａｃｒｏｃｙｄｉｃ?ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ?Ｃｏ￣Ｎ４??Ｃａｒｂｏｎ?ｓｕｐｐｏｒｔｓ?Ｈｅａｔ－ｔｒｅａｔｅｄ?ｍａｃｒｏｃｙｃｆｉｃ?ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ??（Ｇｒａｐｈｉｌｉｚａｔｉｏｎ，?ｐｏｒｏｓｉｔｙ，?ｄｏｐｉｎｇ，?ｓ

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3609223