适用于氧还原的钴—聚吡咯—炭（Co-PPy/C）复合电催化剂的研究

论文摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）是目前最接近商业化的燃料电池之一,由于在低温操作,必须使用电极催化剂来提高使用效率。在低温燃料电池中,主要采用以碳为载体的铂类催化剂,但铂系金属资源匮乏,成本太高,严重阻碍了燃料电池实现商业化。近年来,在探索新型非铂类催化材料的研究中,导电聚合物（CPs）由于具有高比表面、高导电性、高稳定性的特点使其成为优良的电化学催化剂和载体。以导电聚合物和炭黑为载体,掺杂Co等非贵重金属的阴极催化剂在低温燃料电池的操作条件下,具有显著的活性和稳定性,有着广阔的应用前景。本论文合成了钴-聚吡咯-碳（Co-PPy/C）催化剂,应用于直接甲醇燃料电池氧还原反应。研究了聚合温度、氧化剂种类、氧化剂用量、掺杂离子种类等制备工艺对氧还原催化活性的影响。实验结果显示0℃、H2O2为氧化剂,CH3COOH为掺杂剂时制备的催化剂有最佳的性能。以最佳条件制备的Co-PPy/C催化剂在0.5mol·L-1H2SO4中,O2气氛下,最大峰电流为2.563×10-4 A,最大峰电势为0.1168 V,显示出良好的催化效果。聚咄咯负载量和金属Co负载量,均会影响Co-PPy/C催化剂活性。聚毗咯负载量增加,催化剂的活性会得到相应提高,当PPy/C=0.5时,以此为载体制得的催化剂活性较佳。金属Co负载量同样影响着催化剂活性,当Co:N（原子比）=0.4时,合成的催化剂氧气还原活性较佳。用自制的Co-PPy/C催化剂作为阴极催化剂(5mg·cm-2),商品PtRu/C催化剂(2 mg·cm-2)为阳极催化剂制备膜电极,并组装DMFC单电池。通过单电池性能曲线可以看出,甲醇浓度2 mol·L-1,甲醇流速1mL·min-1,氧气流速100mL·min-1,温度60℃下操作,电池电压0.4V时, Co-PPy/C制备的单电池的电流密度为80mA·cm-2,最大功率密度达到58.92 mW·cm-2。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 直接甲醇燃料电池（DMFC）
• 1.2.1 DMFC 的特点
• 1.2.2 DMFC 的工作原理
• 1.2.3 DMFC 的研究现状
• 1.2.4 DMFC 研究面临的问题
• 1.3 DMFC 非贵重金属阴极催化剂研究现状
• 1.3.1 过渡金属大环螯合物催化剂
• 1.3.2 掺杂金属氧化物
• 1.3.3 相过渡金属硫化物
• 1.4 新型导电聚合物电催化剂
• 1.4.1 导电聚合物的导电机理
• 1.4.2 金属/导电聚合物催化剂的制备
• 1.4.3 负载Pt 的导电聚合物催化剂
• 1.4.4 掺杂非贵重金属的导电聚合物催化剂
• 1.5 本论文的研究目的、意义和内容
• 第二章 实验设备与方法
• 2.1 化学试剂与实验仪器
• 2.1.1 主要实验试剂与材料
• 2.1.2 主要实验仪器
• 2.2 催化剂的理化表征
• 2.2.1 X 射线衍射（XRD）分析
• 2.2.2 傅立叶红外（FT-IR）分析
• 2.2.3 热重（TG）分析
• 2.2.4 扫描电镜（SEM）测试
• 2.2.5 比表面积（BET）测试
• 2.3 催化剂电化学性能测试
• 2.3.1 工作电极的制备
• 2.3.2 电催化剂活性评价装置
• 2.3.3 电化学测试方法
• 第三章 Co-PPy/C 催化剂制备条件的研究
• 3.1 Co-PPy/C 催化剂的制备
• 3.1.1 PPy/C 的合成
• 3.1.2 Co-PPy/C 的合成
• 3.2 Co-PPy/C 催化剂的物理表征
• 3.2.1 FT-IR 分析
• 3.2.2 XRD 分析
• 3.2.3 TG 分析
• 3.3 Co-PPy/C 催化剂的电化学测试
• 3.3.1 循环伏安（CV）测试
• 3.3.2 旋转圆盘电极（RDE）测试
• 3.4 Co-PPy/C 催化剂制备条件的研究
• 3.4.1 反应温度对Co-PPy/C 催化剂性能的影响
• 3.4.2 氧化剂的种类对Co-PPy/C 催化剂性能的影响
• 2O₂ 的用量对Co-PPy/C 催化剂性能的影响'>3.4.3 H₂O₂ 的用量对Co-PPy/C 催化剂性能的影响
• 3.4.4 掺杂离子种类对Co-PPy/C 催化剂性能的影响
• 3.5 导电聚吡咯（PPy）改性碳载体的制备研究
• 3.5.1 聚吡咯（PPy）对碳载体孔结构的影响
• 3.5.2 聚吡咯（PPy）负载量对Co-PPy/C 催化剂性能的影响
• 3.5.3 金属Co 负载量对Co-PPy/C 催化剂性能的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 单电池性能测试
• 4.1 实验试剂、材料及仪器
• 4.1.1 主要实验试剂与材料
• 4.1.2 主要实验仪器
• 4.2 膜电极的制备
• 4.2.1 膜电极制备的流程图
• 4.2.2 Nafion 膜的预处理
• 4.2.3 膜电极制备方法
• 4.3 单电池性能测试
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文
• 致谢