质子交换膜燃料电池新型与有序介孔氧还原非Pt催化剂的制备研究

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有很多优点，因而在过去的几十年里受到广泛的关注。为了降低质子交换膜燃料电池的成本，实现商业化，减少阴极Pt的用量或使用非贵金属催化剂完全取代Pt被认为是短期和长期的可持续解决方案，所以阴极氧还原反应(ORR)非贵金属催化剂成为了国内外研究的焦点，同时也取得了巨大的进展。
　　 本文利用三联吡啶(TPY)为配体合成出Fe-TPY复合物，之后分别在600、700、800和900℃的温度下热处理制备出一种新的ORR Fe-N/C催化剂，同时对Fe/TPY的摩尔比和Fe载量进行了优化。结果表明，热处理温度为800℃、Fe含量为5wt％、Fe/TPY的摩尔比为1∶5时Fe-N/C催化剂的氧还原催化活性最高，计算得出Fe-N/C催化剂氧还原反应的电子转移数为3.7。X-射线光电子能谱(XPS)的分析结果表明，Fe-N/C催化剂氧还原催化活性可能来自于吡啶氮和石墨氮。在60℃、常压的情况下，单电池的开路电压为0.75 V，当电池电压为0.2 V、电流密度为0.34 A cm-2时功率密度达到最大值0.08 W cm-2。
　　 利用乙醇挥发自组装法热解合成了一种廉价的、新的、高度有序化介孔碳(OMC)氧还原反应电催化剂，优化了不同的Fe载量，作为对比，同时制备了非有序化介孔碳(NOMC)催化剂和石墨化有序化介孔碳催化剂。结果表明，这种OMC催化剂的平均孔径和比表面积分别为7.9 nm和864.9 m2 g-1，Fe与苯酚的摩尔比为0.10时有序化介孔碳催化剂的氧还原催化活性最高，同时在酸性中的稳定性较好，计算得出有序化介孔催化剂氧还原反应的电子转移数为3.8。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 质子交换膜燃料电池(PEMFC)概述

1．2 PEMFC阴极非贵金属氧还原催化剂的研究现状

1．2．1 过渡金属大环类化合物

1．2．2 Chevrel相过渡金属硫化物

1．2．3 过渡金属氧化物

1．2．4 过渡金属氮化物／碳化物／氮氧化物等

1．3 多孔碳材料

1．3．1 多孔碳材料概述

1．3．2 多孔碳材料的氮功能化

1．4 本论文的研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2．1 实验试剂和主要仪器

2．2 催化剂的物理化学性能表征

2．3 催化剂的电化学性能测试

2．4 单电池测试

第3章 碳载三联吡啶新型氧还原催化剂的制备及其性能优化的研究

3．1 Fe-N／C催化剂的制备过程

3．2 结果与讨论

3．2．1 Fe-N／C催化剂的物理特性

3．2．2 Fe-N／C催化剂的的表面电化学性能

3．2．3 热处理温度对Fe-N／C催化剂氧还原活性的影响

3．2．4 TPY含量对Fe-N／C催化剂氧还原活性的影响

3．2．5 金属含量对Fe-N／C催化剂氧还原活性的影响

3．2．6 Fe-N／C催化剂的氧还原催化动力学分析

3．2．7 Fe-N／C催化剂的XPS分析

3．2．8 Fe-N／C催化剂的单电池催化活性分析

3．3 本章小结

第4章 有序介孔氧还原催化剂的制备及孔结构和石墨化对催化活性的影响研究

4．1 有序介孔催化剂的制备

4．2 结果与讨论

4．2．1 有序介孔催化剂的物理特性

4．2．2 有序介孔催化剂的表面电化学性能

4．2．3 过渡金属含量对有序介孔催化剂氧还原催化活性的影响

4．2．4 有序化和石墨化对催化剂氧还原催化活性的影响

4．2．5 有序介孔催化剂的组分分析

4．2．6 催化剂的稳定性研究

4．2．7 催化剂的氧还原催化动力学分析

4．3 本章小结

第5章 主要结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及专利