碳基非贵金属氧还原催化剂的制备及其性能研究

第一章引言 (1)

1.1研究背景 (1)

1.2燃料电池简介 (1)

1.2.1氧还原机理 (1)

1.2.2氧还原的电化学表征方法 (4)

1.3燃料电池阴极氧还原催化剂 (6)

1.3.1铂基纳米材料催化剂 (6)

1.3.2过渡金属化合物催化剂 (9)

1.3.2.1过渡金属碳化物 (10)

1.3.2.2过渡金属氮化物 (12)

1.3.2.3过渡金属氧化物 (13)

1.3.2.4过渡金属硫属化物 (15)

1.3.3碳基氧还原催化剂 (16)

1.3.3.1 碳基非贵金属 (16)

1.3.3.2碳基非金属 (19)

1.4本论文的选题意义和研究内容 (24)

第二章实验部分 (26)

2.1 实验药品 (26)

2.2 材料的结构表征 (26)

2.3 材料的电化学性能表征 (26)

2.3.1 电极的制备 (26)

2.3.2 电化学测试 (27)

第三章氮掺杂碳纳米管包裹钴纳米颗粒的制备及其电催化氧还原性能研究 (28)

3.1 前言 (28)

3.2 Co@N-CNTs的制备 (28)

3.3 实验结果与讨论 (30)

3.3.1 Co@N-CNTs的结构表征 (30)

3.3.2 Co@N-CNTs的电化学性能表征 (34)

3.4 本章小结 (39)

第四章碳纳米颗粒/氮磷共掺杂碳纳米片的制备及其电催化氧还原性能研究 (40)

4.1 前言 (40)

4.2 N-P/CNS材料的制备 (40)

4.3 实验结果与讨论 (41)

4.3.1 N-P/CNS的结构表征 (41)

4.3.2 N-P/CNS的电化学性能表征 (46)

4.4 本章小结 (49)

第五章结论与展望 (50)

参考文献 (51)

攻读学位期间的研究成果 (61)

致谢 (62)

学位论文独创性声明 (63)

学位论文知识产权权属声明 (63)

第一章引言

1.1研究背景

随着全球能源消耗的急剧增加，传统能源的使用对环境的日益破坏以及对人类健康的不断威胁，使得能源安全和环境保护是人类目前面临的巨大挑战，开发下一代新型绿色、高效和可持续的能源是人类目前解决能源和环境问题的主要目标。燃料电池是一种清洁、高效的能源转换装置，可以直接通过电化学过程将燃料的化学能转换为电能，而且反应产物对环境无污染（主要是水和二氧化碳）。因此，燃料电池可有望在运输产业、便携式电子设备的商业领域中得到广泛的应用，这将有助于解决全球化能源问题。其中，质子交换膜燃料电池由于其构造简单、低的工作温度、高的能量密度以及能够快速启动等优点，已经在汽车、便携式电子设备和热电联产系统中得到广泛的应用[1]。

1.2燃料电池简介

如图1.1 (A)所示[2]，在燃料电池中，阳极和阴极通过膜/电解液进行分离。氢气、甲醇、乙醇或者甲酸等燃料在阳极发生氧化反应，失去的电子通过外电路传输到阴极，质子可以通过质子膜到达阴极参与反应。如图1.1 (B)所示，阴极上发生氧气还原反应（ORR），在酸性或者碱性条件下，可通过有效的四电子路径直接将氧气分别还原为水或者氢氧根，或者通过两电子路径先生成过氧化氢作为中间产物，进而还原为水或者氢氧根。通过阳极和阴极的电极反应，最终将化学能转化为电能。

1.2.1氧还原机理

一般来说，在典型的H2-O2燃料电池中，阳极上的氢气氧化反应（HOR）和阴极上发生的氧气还原反应（ORR）可以简单的通过两个半反应来表示[公式1-(l)、1-(2)]:

HOR: 2H2→4H++4e-, E0=0 V (vs. RHE) 公式1-(1) ORR: O2+4H++4e-→2H2O, E0=1.23 V (vs. RHE) 公式1-(2)