铁锰掺杂碳基氧还原催化剂的设计与性能研究
制备低成本，稳定性强的非Pt基氧化原催化剂是实现燃料电池商业化使用的重要环节。而原子级别分散的金属氮碳结构的非Pt基氧化原催化剂，不仅能从源头上减少金属原子的使用率，还能清晰的研究氧还原的反应机理，因此被广泛研究。本文以制备高活性、高稳定性、高抗甲醇性的单原子金属氮碳为目标，从设计性良好、裁剪性良好的多孔结构出发，研究由此衍生材料的微观结构情况和电催化性能。 首先，以ZIF-8为前驱体，将其碳化后，利用不同溶剂的表面张力差将Fe3+吸附到ZIF-8的孔道内，再次碳化后制备出负载量为2.8wt％的SA-Fe-N-C催化剂。将其应用于电化学测试，相比于标准氢电极，在碱性坏境中的半波电位E1/2=0.89V。相比于标准氢电极，酸性环境中半波电位E1/2=0.75V。同时，将SA-Fe-N-C催化剂应用于碱性膜燃料电池，在一定的工艺条件下，测得其峰值功率201mWcm-2。 为了克服单金属的局限性，改善催化剂的电化学性能。进一步通过二甲基咪唑有机配体与Mn2+金属节点化学结合形成的多孔结构，物理吸附Fe3+离子后分步碳化，制备了一种形貌可控的双原子级分散的Fe-Mn-N-C催化剂，并揭示了该催化剂中双原子位点的局部结构和FeN4MnN3构型。将其应用于电化学测试，SA-Fe-Mn-N-C催化剂在碱性坏境中的半波电位E1/2=0.91V，远远高于其商业的Pt-C。其酸性环境的半波电位E1/2=0.78V，优于SA-Fe-N-C催化剂30mV。且SA-Fe-Mn-N-C不管在酸性和碱性的稳定性都远优于商业的Pt-C。值得注意的是，在一定的工艺条件下，将SA-Fe-Mn-N-C应用于碱性膜燃料电池，其峰值功率达到了1300mWcm-2，是SA-Fe-N-C的6倍。将SA-Fe-Mn-N-C催化剂应用于质子膜燃料电池，该峰值功率达到628mWcm-2。其性能提升原因归因于Fe-Mn的协同增强作用。
燃料电池;氧还原反应;单原子;碳基催化剂;铁锰掺杂;电催化性能
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
曹达鹏
2021
中文
TM911.4
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）