过渡金属掺杂电催化剂的制备及其催化性能的研究
燃料电池的高能量转换率、零污染排放等独特优势成为能够同时解决日益扩大的能源需求和环境问题的优质能源方式的选择，激发了科研人员对其的关注度和研究热情。目前贵金属基(Pt、Ru、Pd等)催化剂是解决燃料电池阴极氧还原反应动力学缓慢问题的主要途径，但是使用贵金属催化剂面临成本高、稳定性差等劣势而无法大规模应用于商业推广，所以开发具有低成本、高活性以及稳定性的非贵金属氧还原催化剂来降低设备的成本对于推进燃料电池的商业应用进程具有十分必要的实际意义。本论文以ZIF-8为研究基础，通过非贵金属掺杂来调控材料的结构及组成，制备了一系列的高性能氧还原催化剂，具体研究内容如下: (1)为了提高活性位点的负载量以及金属活性位点的暴露，本章基于ZIF-8结构为基础，通过柠檬酸铁的掺杂以及在碳化过程中进行氨气活化的制备方法，合成了具有花状形貌的氧还原催化剂。通过配体比例和过渡金属浓度的调控，在碳化温度为950℃时获得具有最佳氧还原性能的催化剂4％-Fecitrate-N-C。该催化剂在0.1MKOH溶液中半波性能达到0.9V，在0.1MHClO4溶液中半波电位达到0.8V，经过5000圈的CV循环稳定测试后仅衰减了20mV，且经过50000s的计时电流稳定性测试后依然保持80％以上的氧还原活性。 (2)为了提高反应中活性位点的利用率以及质量传输效率，在本章中基于ZIF-8结构，利用聚苯乙烯小球作为硬模板得到具有双金属活性位点的3D有序分级孔结构的蜂巢结构氧还原催化剂。通过调控孔结构以及双金属浸渍浓度，得到了具有最佳催化性能的FeCo-NOPC氧还原催化剂。该催化剂在0.1MKOH溶液中半波电位达到0.92V，经50000s的计时电流稳定性测试后，电流密度仍能保持89％以上，氧还原活性以及稳定性均远远超过商业铂碳。通过合理的设计孔结构增强催化剂反应过程中的传质过程以及活性位点利用率，从而实现催化剂性能和稳定性的有效提升，为通过此策略制备其他类型的催化剂提供了良好借鉴。
燃料电池;氧还原反应;非贵金属催化剂;ZIF-8;过渡金属掺杂
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
向中华
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）