碱性聚合物电解质膜燃料电池催化剂的研究

摘要

在碱性介质中，氧气的还原反应(ORR)比在酸性介质中更容易进行，ORR速率也更快，所以碱性聚合物电解质膜燃料电池(APEFC)可以选用非贵金属催化剂，一般采用镍、钴、锰等过渡金属作为阴极催化剂，这些催化剂在碱性介质中具有足够高的电化学活性，而且价格低廉，能够降低燃料电池的成本，有望实现燃料电池的实用化。本论文合成了三个体系的非贵金属阴极催化剂:
　　(1)以草酸盐为前驱物通过固相合成法制备了尖晶石氧化物MnCo2O4，并与Vulcan XC-72复合经高温热处理后合成MnCo2O4/C系列催化剂，分别考察了600℃、700℃、800℃和900℃这几个热处理温度对MnCo2O4/C催化剂活性的影响。测试结果表明当热处理温度为700℃时，MnCo2O4/C催化剂的催化性能最好，MnCo2O4/C-700催化剂的氧起始还原电位为0.84V，电子转移数为3.48，氧还原反应过程是二电子和四电子混合控制过程。
　　(2)通过高温固相法合成尖晶石氧化物MnCo2O4，并与PANI原位复合，制备了一系列的MnCo2O4/N-C复合催化剂，考察了热处理温度和MnCo2O4含量对催化剂的催化活性的影响，电化学测试表明，当MnCo2O4含量为15wt.％，热处理温度为900℃时，制备的15MnCo2O4/N-C-900催化剂具有最好的催化氧还原活性，起始还原电位为0.90V，稳定性优于商业铂碳，其氧还原反应过程涉及二电子和四电子过程。通过XRD、Raman测试和XPS测试，15MnCo2O4/N-C-900催化剂经900℃热处理后，其中的MnCo2O4部分分解，分解为钴和锰的氧化物，有利于提高催化剂的催化活性，该催化剂具有更高含量的石墨型氮和石墨化碳，这也是其催化活性较高的一个重要原因。
　　(3)用微波法合成了超细CoFe2O4粉体并与PANI原位复合，制备了一系列的CoFe2O4//N-C催化剂，合成的复合催化剂氧还原活性高于单纯的CoFe2O4和PANI，考察了热处理温度和CoFe2O4含量对催化活性的影响，电化学测试表明，当CoFe2O4含量为5wt.％，热处理温度为1000℃时，制备的5CoFe2O4/N-C-1000催化剂具有最好的氧还原活性，起始还原电位为0.88V，稳定性优于商业铂碳，其催化ORR过程是二电子和四电子混合控制过程。通过Raman测试和XPS测试表明，CoFe2O4/N-C-1000催化剂含有比较多的表面缺陷的碳原子，能够提供更多的催化活性位点，且氮总量和石墨型氮含量均最高，这是其催化活性较高的一个重要因素。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

前言

1．1 燃料电池简介

1．1．1 燃料电池的工作原理

1．1．2 燃料电池的特点

1．1．3 燃料电池的种类

1．1．4 燃料电池的应用

1．2 碱性聚合物电解质膜燃料电池(APEFC)

1．2．1 APEFC的工作原理

1．2．2 APEFC阴极催化剂的研究进展

1．3 聚苯胺的研究

1．4 论文研究内容

1．4．1 MnCo2O4／C催化剂电化学性能研究及表征

1．4．2 MnCo2O4／N-C催化剂电化学性能研究及表征

1．4．3 CoFe2O4／N-C催化剂电化学性能研究及表征

第二章 实验部分

2．1 实验材料

2．2 实验仪器

2．3 表征方法

2．3．1 材料电化学性能表征——线性伏安扫描(LSV)

2．3．2 材料的结构表征方法

第三章 MnCo2O4的制备及MnCo2O4／C催化剂活性研究

3．1 实验部分

3．2 结果与讨论

3．2．1 XRD测试

3．2．2 SEM表征

3．2．3 电化学性能测试

3．3 本章小结

第四章 MnCo2O4／N-C催化剂的制备及表征

4．1 实验部分

4．2 结果与讨论

4．2．1 XRD测试

4．2．2 电化学测试

4．2．3 SEM与TEM表征

4．2．4 Raman测试

4．2．5 XPS表征

4．3 本章小结

第五章 CoFe2O4／N-C催化剂的制备及表征

5．1 实验部分

5．2 结果与讨论

5．2．1 XRD测试

5．2．2 电化学测试

5．2．3 TEM表征

5．2．4 Raman测试

5．2．5 XPS表征

5．3 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

科研成果

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