燃料電池Fe-based催化劑的制備及性能的研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一類比較理想的可再生能源供給裝置，在未來可以取代傳統(tǒng)的能量消耗大、污染嚴(yán)重的發(fā)電器材。催化劑做為燃料電池的主要構(gòu)件之一，對燃料電池的成本和性能具有重要的影響。近年來，在燃料電池中，鉑及其合金催化劑已經(jīng)達(dá)到了比較成熟的地步，但由于鉑金屬高昂的價格以及在酸性電解質(zhì)中催化劑的性能不太穩(wěn)定，限制了其商業(yè)化應(yīng)用，因此開發(fā)廉價、來源廣的非貴金屬催化劑成為一條很好的解決辦法。本論文選取了廉價的聚苯胺、三聚氰胺、乙二胺

2、及苯二胺做為氮源，石墨烯為載體，然后負(fù)載過渡金屬元素制備出高催化性能的鐵基催化劑。主要工作如下:
　　1.采用溶液共混和高溫煅燒法，以石墨烯為載體，F(xiàn)e(SCN)3為鐵摻雜劑，分別以不同氧化劑制備的聚苯胺為氮源，制備了三種不同氮源的催化劑:Fe-S/N(PANI-n)/rGO、Fe-S/N(PANI-h)/rGO、Fe-S/N(PANI-f)/rGO，通過實驗發(fā)現(xiàn)以NaClO作為氧化劑制備的聚苯胺為氮源的催化劑的性能最佳;再在摻氮

3、石墨烯上負(fù)載不同的無機(jī)鐵鹽(FeCl3、Fe(SCN)3)，制備兩種不同鐵前驅(qū)體的催化劑:Fe-S/N(PANI-n)/rGO，F(xiàn)e-Cl/N(PANI-n)/rGO，實驗結(jié)果顯示催化劑具有的優(yōu)良的形貌結(jié)構(gòu)可以對ORR反應(yīng)起到一定的促進(jìn)作用;然后又研究了不同摻鐵濃度的催化劑以及不同溫度的Fe/N(PANI)/rGO的催化性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2％，熱解的溫度為850℃時，初始電位已達(dá)到0.824v;最后又制備了一系列不同氮濃

4、度的Fe/N(PANI/Cyan)/rGO催化劑，對催化劑中氮的類型，電子轉(zhuǎn)移數(shù)等性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明催化劑中氮的含量與催化活性不是正比關(guān)系，只有適量濃度的氮濃度才能促進(jìn)氧還原。
　　2.以石墨烯、三聚氰胺和乙二胺以及三氯化鐵混合熱解煅燒，制備了一系列不同氮比例的Fe/N(Mel a/EDA)/rGO催化劑，結(jié)果表明三聚氰胺與乙二胺的質(zhì)量比為0.2∶2時，催化劑的初始電位最高;之后又以同樣的方法在氮摻雜的石墨烯上負(fù)載鈷元素，制

5、備了Co/N(Mela/EDA)/rGO催化劑，當(dāng)氯化鈷的加入量為0.025g時催化劑的性能相對較好;結(jié)合以上兩種優(yōu)化條件合成了雙摻雜石墨烯負(fù)載Fe、Co雙金屬的FeCo/N(Mela/EDA)/rGO催化劑，通過實驗找到最佳的金屬比例;最后制備了一系列不同煅燒溫度下的雙金屬催化劑，實驗結(jié)果顯示當(dāng)溫度為850℃為最合適的煅燒溫度，此時的催化劑具有較好的初始電位為0.829v，也具有較大的電流密度，因為在此溫度下催化劑中FeCo單元結(jié)構(gòu)結(jié)

6、晶度較好，兩種金屬之間的協(xié)調(diào)效應(yīng)更加明顯。
　　3.制備不同雜原子摻雜石墨烯的雙金屬催化劑:BN/FeCo/rGO、SN/FeCo/rGO、PN/FeCo/rGO，通過電化學(xué)表征發(fā)現(xiàn)摻雜B原子有利于促進(jìn)ORR，因為硼原子自身具有缺電子的性質(zhì)，當(dāng)硼原子引入到石墨烯結(jié)構(gòu)中可更容易使碳材料產(chǎn)生缺陷，使其電荷密度發(fā)生不均勻的排布，有利于氧氣分子的吸附;然后制備了不同B/N比例的BN/FeCo/rGO催化劑，當(dāng)加入的硼酸的質(zhì)量為0.05g時