堿性燃料電池陰極催化劑的構(gòu)筑及其電催化性能研究.pdf

1、燃料電池被認(rèn)為是未來最有可能替代化石資源的新型能源形式之一。在燃料電池陰極發(fā)生的氧氣還原反應(yīng)(ORR)相對(duì)在陽(yáng)極氧化劑的氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)遲緩、超電勢(shì)高，因此通常需要使用大量鉑基貴重金屬陰極催化劑來滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。然而，鉑基貴金屬資源有限且價(jià)格高昂，嚴(yán)重阻礙了燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化推廣，因此，開發(fā)非貴重金屬陰極電催化材料具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　本論文基于還原氧化石墨烯的優(yōu)良導(dǎo)電性能以及非貴金屬錳基和鈷基陰極電

2、催化材料在堿性電解質(zhì)中的良好電催化性能，利用復(fù)合金屬氫氧化物主體層板金屬元素的高分散性，采用共沉淀法可控合成還原氧化石墨烯負(fù)載的Co、Mn、Ni和Fe多元LDHs，通過原位焙燒得到還原氧化石墨烯負(fù)載的復(fù)合金屬氧化物陰極電催化材料。采用多種表征手段詳細(xì)表征各種催化材料的組成、結(jié)構(gòu)和形貌，采用循環(huán)伏安法和線性掃描法等電化學(xué)表征手段系統(tǒng)分析了所合成材料的電催化活性、選擇性以及電化學(xué)穩(wěn)定性。本論文的具體工作如下:
　　(1)通過共沉淀法制

3、備了還原石墨烯負(fù)載的主體層板為鈷和錳元素的復(fù)合金屬氫氧化物前驅(qū)體(Co3Mn-LDH/RGO)，在一定的溫度下將Co3Mn-LDH/RGO前驅(qū)體焙燒成還原氧化石墨烯負(fù)載的復(fù)合金屬氧化物陰極電催化材料(CoO/MnO2/RGO)。經(jīng)XRD、SEM、TEM和XPS等分析表明，CoO和無定型MnO2納米顆粒均勻分布在還原氧化石墨烯載體上;電催化性能測(cè)試結(jié)果表明，該法所制備CoO/MnO2/RGO催化劑性明顯優(yōu)于CoO/RGO和MnO2/RGO

4、相同比例物理混合催化劑，而且該復(fù)合催化劑具有與商業(yè)Pt/C電催化劑相當(dāng)?shù)难鯕膺€原電催化活性、更高的催化選擇性和電化學(xué)穩(wěn)定性。該復(fù)合催化劑在0.1M KOH電解質(zhì)中催化氧氣還原反應(yīng)的半波電勢(shì)為0.78 V vs.RHE，起始電勢(shì)是0.90 V vs.RHE，對(duì)甲醇具有完全免疫力，經(jīng)18000 s的i-t極譜測(cè)試后的穩(wěn)定性比商業(yè)Pt/C高5％。
　　(2)通過共沉淀法制備了氮摻雜還原氧化石墨烯負(fù)載的主體層板含鈷、鎳和鐵三元層狀復(fù)合金屬

5、氫氧化物(CoNiFe-LDH/N-RGO)，經(jīng)焙燒前驅(qū)體可控制備得到了Co/NiO/Fe2O3/N-RGO復(fù)合催化劑。XRD，XPS，SEM，TEM等手段的結(jié)構(gòu)分析表明，前驅(qū)體具有典型LDHs的層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)750-℃焙燒后LDHs層板發(fā)生塌陷生成了金屬Co單質(zhì)、無定型的NiO和無定型的Fe2O3納米顆粒的復(fù)合物;經(jīng)電催化性能測(cè)試表明，目標(biāo)催化劑中Co/N-RGO具有較高氧氣還原電催化活性而NiO/Fe2O3/N-RGO具有良好的電化學(xué)