生物質碳材料改性及其在電催化中的應用研究.pdf

1、近年來,面對日益嚴重的能源危機和環(huán)境污染問題,世界各國都在致力于廣泛的研究和開發(fā)綠色、可持續(xù)的能源系統(tǒng)。直接甲醇燃料電池(DMFC)因其能量密度高、環(huán)境友好、攜帶方便等突出優(yōu)點而被廣泛的研究。然而,由于目前直接甲醇燃料電池還面臨著動力學過程慢、甲醇滲透、催化劑價格昂貴和中毒失效等問題,嚴重制約了直接甲醇燃料電池的商業(yè)化。
　　到目前為止,鉑及鉑基催化劑由于其優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性,仍然是直接甲醇燃料電池中應用最有效的陰極和陽極電催

2、化劑,但是貴金屬鉑價格昂貴、資源匱乏,嚴重限制了燃料電池的廣泛應用。為了降低催化劑成本,一方面是減少貴金屬鉑的載量及提高它的利用率;另一方面是開發(fā)非貴/非金屬催化劑。碳材料是燃料電池中使用最理想的負載納米尺寸金屬顆粒的材料,對鉑基催化劑顆粒的分散、活性以及耐久性有著顯著的影響。它們不僅可以提高金屬催化劑的利用率,并且其本身經過一定的表面修飾后就可以作為一種陰極非金屬催化劑,因此碳材料的研究越來越受到人們的廣泛重視。
　　近幾年,生

3、物質碳材料廣泛的應用于環(huán)境、超級電容器、儲能和電催化等領域。相比于傳統(tǒng)的炭黑(VulcanXC-72),生物質碳材料具有更大的比表面積、特殊的孔結構,有利于金屬納米催化劑的分散和反應過程中電子的轉移,可以很好的應用于電化學領域。但是目前大多數(shù)生物質碳材料被應用于吸附等領域,只有少數(shù)的生物質碳材料被應用于電化學領域。
　　本論文針對提高電催化劑的活性、穩(wěn)定性以及抗中毒能力等方面開展了基礎研究。主要是圍繞天然高分子材料制備了四種生物質

4、碳材料,并應用于電極上的甲醇氧化反應(MOR)和氧還原反應(ORR)。分別采用氮氣吸附(BET)、X-射線粉末衍射(XRD)和透射電鏡(TEM)等手段分別對生物質碳材料的結構和成分進行了物理表征。采用循環(huán)伏安法(CV)、線性掃描法(LSV)和計時電流法(CA)測試了催化劑對酸性介質中甲醇氧化反應和堿性介質中氧還原反應的催化活性。
　　論文具體內容見如下三部分:
　　第一部分碳化蠶繭及其作為甲醇電催化劑載體的應用
　　通

5、過直接碳化蠶繭天然高分子材料制備了蠶繭基碳載體(C-Cocoon),經過酸處理后用于制備Pt/C-Cocoon電催化劑,并用于催化酸性介質中的甲醇氧化反應(MOR)。采用XRD、Raman、XPS、BET和SEM測試手段對樣品進行了結構和化學表征,并用CV,CA電化學方法測試其對甲醇氧化反應(MOR)的催化活性。電化學測試表明:Pt/Cocoon催化劑催化氧化甲醇的電流密度達到19.55mAcm-2,是相同方法制備的Pt/XC-72催化

6、劑的1.68倍,對甲醇氧化反應具有較好的催化活性、抗CO中毒能力和穩(wěn)定性。
　　第二部分碳化牛肉及其作為甲醇電催化劑載體的應用
　　通過直接碳化牛肉天然高分子材料制備了牛肉基碳載體(C-Beef),經過酸處理后用于制備PtRuIr/C-Beef電催化劑(金屬載量10wt％;原子比例Pt:Ru:Ir=1:1:1),并用于催化酸性介質中的甲醇氧化反應(MOR)。采用BET、Raman、XRD、EDX和TEM測試手段對樣品進行了結

7、構和化學表征,并用CV,CA電化學方法測試其對甲醇氧化反應(MOR)的催化活性。電化學測試表明:相比于PtRuIr/XC-72,PtRuIr/C-Beef催化劑催化氧化甲醇反應的催化活性、抗CO中毒能力和穩(wěn)定性都有很大的提高。
　　第三部分生物質碳材料改性修飾及其作為氧還原電催化劑的比較研究
　　通過二次碳化法碳化四種天然高分子材料制備了四種生物質碳材料(2C-Cocoon、2C-Beef、2C-Blood、2C-Egg),