碳担载二氧化钛基氧还原催化剂的研究

摘要

燃料电池通过高效的电化学转化过程将燃料中的能量转化成电能，因其具有低排放和对环境影响小的优点，被认为是解决能源问题的可能方法之一，得到了广泛的研究。目前，常用的燃料电池催化剂为Pt系催化剂。Pt作为阴极氧还原催化剂，其昂贵的价格限制了燃料电池传播应用。促使研究者们寻找廉价并且性能优于或者与Pt相当的替代材料。
　　本课题中，通过两步法制备了新型TiO2/PANI复合物，随后将制备的复合物在N2中热解。通过改变复合物中PANI与TiO2的质量比和热处理温度，制备了一系列TiO2/C催化剂。最后，使用Co(NO3)2·6H2O和FeCl3·6H2O作为前驱体，合成了Co/TiO2/C和Fe/TiO2/C催化剂。此外，还通过溶剂挥发和热解两步反应，制备了Co3O4/TiO2/C催化剂。样品使用XRD，Raman，SEM，TEM，FTIR和XPS等测试手段进行表征。此外，还测试了样品的LSV和甲醇耐受性，研究电化学催化活性和稳定性。
　　在复合物中，PANI纳米纤维和TiO2之间存在相互作用，这种相互作用抑制了TiO2纳米颗粒的团聚和锐钛矿向金红石的转化。热处理过程中PANI转化成石墨化的碳，锐钛矿也转化成金红石，因此，材料的电化学活性增强。当PANI与TiO2的比值为40:100，在800℃下热处理1h时，TiO2/C活性最好。向TiO2/C加入Co和Fe能够提高材料的活性，且加入的最佳比例是5％。与Pt系催化剂相比，Co/TiO2/C和Fe/TiO2/C具有更高的甲醇耐受性，这一点对像直接甲醇燃料电池这一类的低温燃料电池有十分重要的意义。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 氧还原反应动力学和机理

1.3 非贵金属氧还原催化剂的研究现状

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1 实验所用试剂和仪器

2.2 实验样品的制备

2.3 材料的表征及性能测试

2.4 材料的阴极氧还原催化性能测试

第3章 TiO2/C的制备及性能表征

3.1 PANI的表征

3.2 PANI与TiO2质量比对TiO2/C的影响

3.3 热处理对TiO2/C催化剂性能的影响

3.4 本章小结

第4章 TiO2/C载非贵金属催化剂制备和性能表征

4.1 Co/TiO2/C复合物的制备和性能表征

4.2 Fe/TiO2/C复合材料的制备和性能表征

4.3 Co3O4/TiO2/C复合物的制备和性能表征

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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致谢