高效燃料电池Fe--N--C氧还原催化剂制备及性能研究
燃料电池是目前最有前景的能量转换装置之一，具有零排放无污染和高能量密度等优点。控制燃料电池能量转化效率的关键在于阳极的氢氧化反应(HOR)和阴极的氧还原反应(ORR)，然而，与HOR反应动力学相比，ORR的反应动力学约慢6倍，导致H2-O2燃料电池的高过电位和低能量转化效率。商业普遍采用铂(Pt)基催化剂来促进ORR过程。然而，Pt基催化剂的高成本约占燃料电池设备总成本的30％，如果广泛使用，地球上的Pt储量不能满足市场的需要。所以，开发用于ORR的具有高活性、高稳定性和低成本的非贵金属催化剂(NPMC)是提高燃料电池能量转换效率的长期解决方案。 1.通过二氧化硅辅助的方法开发了一种具有低成本的合成策略，并且通过合理设计二维共价有机聚合物(COP)的结构，获得了具有Fe-Nx和Fe3C的有效活性位点的新型Fe3C/Fe-Nx-C(称为COPBP-PB-Fe-900-SiO2)催化剂。在碳化过程中，COP的高含氮量能够有效促进Fe-Nx活性位点的形成。另外，二氧化硅的存在不仅可以有效地抑制催化剂中大的Fe基颗粒的形成，而且还可以提高催化剂的碳化程度。所制备的COPBP-PB-Fe-900-SiO2催化剂具有很高的ORR电催化活性，半波电位为0.85V，相对于可逆氢电极(vs.RHE)，在碱性电解液中，与商用Pt/C催化剂相比具有相当的活性。此外，该催化剂还表现出高稳定性，在10，000次循环后具有几乎恒定的起始电位和半波电位。 2.我们使用规则有序的聚苯乙烯球（PS球）做模板，在模板中加入Fe-ZIF-8前驱体溶液，再通过N，N-二甲基甲酰胺(DMF)蚀刻掉PS球，合成了具有分级孔结构的催化剂材料（称为Fe-ZIF-8@PS-1000）。经过碳化过程之后，Fe-ZIF-8@PS-1000不仅保留了母体Fe-ZIF-8@PS的纳米有序多孔单晶形态，而且具有丰富的氮，高比表面积和分级孔隙等特点，表现出良好的ORR电催化活性。本实验证明了Fe-ZIF-8作为非贵金属催化剂在燃料电池阴极氧还原反应(ORR)中所展现的巨大潜力。优化铁配比后的Fe-ZIF-8@PS-1000（在1000℃碳化2h）催化剂通过有效的四电子反应途径，在碱性条件下表现出优于商业Pt/C的ORR电催化活性，其起始电位为0.98V（vs.RHE），半波电位为0.87V（vs.RHE）;在酸性条件下，其起始电位为0.89V（vs.RHE），半波电位为0.73V(vs.RHE)。同时在酸性和碱性环境中均具有良好的甲醇耐受性和较好的循环稳定性。经过KSCN中毒实验以及XPS表征证明该催化剂的活性位点可能是含氮基团和Fe-N4活性中心。 本论文将两种多孔有机聚合物作为前驱体，通过高温碳化的方法得到Fe-Nx-C催化剂，该催化剂表现出优良的ORR催化活性，有望成为燃料电池中Pt基催化剂的替代品。并且在金属-空气电池等领域同样具有广泛的应用前景。因此，该工作对于开发非贵金属ORR电催化剂具有重要意义。
催化剂;高温碳化;多孔有机聚合物;催化活性
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
向中华
2019
中文
TQ426.6
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）