碱性燃料电池阴极催化剂的构筑及其电催化性能研究
燃料电池被认为是未来最有可能替代化石资源的新型能源形式之一。在燃料电池阴极发生的氧气还原反应(ORR)相对在阳极氧化剂的氧化反应的动力学迟缓、超电势高，因此通常需要使用大量铂基贵重金属阴极催化剂来满足实际应用的需求。然而，铂基贵金属资源有限且价格高昂，严重阻碍了燃料电池的大规模商业化推广，因此，开发非贵重金属阴极电催化材料具有十分重要的科学意义和实际应用价值。 本论文基于还原氧化石墨烯的优良导电性能以及非贵金属锰基和钴基阴极电催化材料在碱性电解质中的良好电催化性能，利用复合金属氢氧化物主体层板金属元素的高分散性，采用共沉淀法可控合成还原氧化石墨烯负载的Co、Mn、Ni和Fe多元LDHs，通过原位焙烧得到还原氧化石墨烯负载的复合金属氧化物阴极电催化材料。采用多种表征手段详细表征各种催化材料的组成、结构和形貌，采用循环伏安法和线性扫描法等电化学表征手段系统分析了所合成材料的电催化活性、选择性以及电化学稳定性。本论文的具体工作如下: (1)通过共沉淀法制备了还原石墨烯负载的主体层板为钴和锰元素的复合金属氢氧化物前驱体(Co3Mn-LDH/RGO)，在一定的温度下将Co3Mn-LDH/RGO前驱体焙烧成还原氧化石墨烯负载的复合金属氧化物阴极电催化材料(CoO/MnO2/RGO)。经XRD、SEM、TEM和XPS等分析表明，CoO和无定型MnO2纳米颗粒均匀分布在还原氧化石墨烯载体上;电催化性能测试结果表明，该法所制备CoO/MnO2/RGO催化剂性明显优于CoO/RGO和MnO2/RGO相同比例物理混合催化剂，而且该复合催化剂具有与商业Pt/C电催化剂相当的氧气还原电催化活性、更高的催化选择性和电化学稳定性。该复合催化剂在0.1M KOH电解质中催化氧气还原反应的半波电势为0.78 V vs.RHE，起始电势是0.90 V vs.RHE，对甲醇具有完全免疫力，经18000 s的i-t极谱测试后的稳定性比商业Pt/C高5％。 (2)通过共沉淀法制备了氮掺杂还原氧化石墨烯负载的主体层板含钴、镍和铁三元层状复合金属氢氧化物(CoNiFe-LDH/N-RGO)，经焙烧前驱体可控制备得到了Co/NiO/Fe2O3/N-RGO复合催化剂。XRD，XPS，SEM，TEM等手段的结构分析表明，前驱体具有典型LDHs的层状结构，经750-℃焙烧后LDHs层板发生塌陷生成了金属Co单质、无定型的NiO和无定型的Fe2O3纳米颗粒的复合物;经电催化性能测试表明，目标催化剂中Co/N-RGO具有较高氧气还原电催化活性而NiO/Fe2O3/N-RGO具有良好的电化学析氧活性，整体催化剂表现出了优异的氧气还原和析氧双功能特性，具有较好的应用前景。该复合催化剂在0.1M KOH电解质中催化氧气还原反应的半波半波电势是0.80 Vvs.RHE和4e的反应路线，同时这种催化剂表现出良好的氧气析出反应(OER)活性，输出电流密度较高，其超电势为280mV，与商用的Pt/C电催化材料相近。
燃料电池;阴极催化剂;电催化性能;共沉淀法
北京化工大学
硕士
化学
冯拥军
2015
中文
TM912.9
80
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）