质子交换膜燃料电池阴极过渡金属化合物催化剂研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs)因为低排放和高效率被认为是最适用于移动和固定电源要求的发电装置。在燃料电池的发展过程中,Pt/C催化剂的高成本是阻碍其商业化的瓶颈之一。降低Pt载量和研究非贵金属催化剂已经成为质子交换膜燃料电池研究的热点。本文采用液相控制沉淀法制备了纳米级别的Co3O4和Co3O4/C催化剂；采用均匀沉淀法制备纳米级的氧化铁前驱体,然后通过程序升温氨解法制备了Fe2N催化剂。利用XRD、TEM对催化剂进行了结构表征,并利用线性扫描伏安(LSV)法和循环伏安(CV)法对催化剂的氧还原催化性能进行了测试。通过Materials studio对Co3O4表面的氧吸附过程进行了模拟,探寻催化机理。结果表明：(1)制备出Co3O4和Co3O4/C平均粒径分别为15nnm和10nm。(2)Co3O4和Co3O4/C对氧还原反应具有催化活性,电子转移数为3.3表明氧还原过程是两电子和四电子还原混合过程。(3)端基吸附模式,主要是通过钴和吸附端氧原子间的相互作用来弱化氧分子中的π键,并活化未吸附端氧原子,氢离子易从另一侧与未吸附端氧原子形成新的化学键,发生二电子反应。发生双址吸附时,两个氧原子同时发生吸附和活化,电子的离域性增强。双址式吸附对两个氧原子的活化大于端基吸附,并易于发生四电子反应。(4)本文制备的氮化铁对氧还原的催化活性很低,可能是由于吸附能太高,不易脱附造成的。另外,没有碳载体也是催化性能较低的一个原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 燃料电池综述
• 1.1.1 燃料电池的发展历史
• 1.1.2 燃料电池的种类
• 1.2 质子交换膜燃料电池简介
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池的结构
• 1.3 质子交换膜燃料电池阴极催化剂
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池阴极催化剂的催化机理
• 1.3.2 PEMFC阴极催化剂的研究现状
• 1.4 本论文的研究内容
• 第2章 实验材料和研究方法
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.2 催化剂的表征及测试方法
• 2.2.1 催化剂表征方法
• 2.2.2 电化学性能的表征方法
• 2.2.3 氧分子在催化剂表面的吸附模拟
• 3O₄与Co₃O₄/C的制备和表征'>第3章 Co₃O₄与Co₃O₄/C的制备和表征
• 3O₄与Co₃O₄/C的制备'>3.1 Co₃O₄与Co₃O₄/C的制备
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 催化剂的结构与形貌
• 3.2.2 催化剂的电催化性能测试
• 2在催化剂表面的吸附模拟'>3.2.3 O₂在催化剂表面的吸附模拟
• 3.3 本章小结
• 2N的制备和表征'>第4章 Fe₂N的制备和表征
• 2N的制备'>4.1 Fe₂N的制备
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 催化剂的结构与形貌
• 4.2.2 催化剂的电催化性能测试
• 4.3 本章小结
• 第5章 主要结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文