生物質(zhì)碳材料改性及其在電催化中的應(yīng)用研究.pdf

1、近年來(lái),面對(duì)日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題,世界各國(guó)都在致力于廣泛的研究和開(kāi)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(diǎn)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(dòng)力學(xué)過(guò)程慢、甲醇滲透、催化劑價(jià)格昂貴和中毒失效等問(wèn)題,嚴(yán)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(yīng)用最有效的陰極和陽(yáng)極電催

2、化劑,但是貴金屬鉑價(jià)格昂貴、資源匱乏,嚴(yán)重限制了燃料電池的廣泛應(yīng)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(kāi)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(fù)載納米尺寸金屬顆粒的材料,對(duì)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(jīng)過(guò)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(lái)越受到人們的廣泛重視。
　　近幾年,生

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

4、碳材料,并應(yīng)用于電極上的甲醇氧化反應(yīng)(MOR)和氧還原反應(yīng)(ORR)。分別采用氮?dú)馕?BET)、X-射線粉末衍射(XRD)和透射電鏡(TEM)等手段分別對(duì)生物質(zhì)碳材料的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行了物理表征。采用循環(huán)伏安法(CV)、線性掃描法(LSV)和計(jì)時(shí)電流法(CA)測(cè)試了催化劑對(duì)酸性介質(zhì)中甲醇氧化反應(yīng)和堿性介質(zhì)中氧還原反應(yīng)的催化活性。
　　論文具體內(nèi)容見(jiàn)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(yīng)用
　　通

5、過(guò)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(jīng)過(guò)酸處理后用于制備Pt/C-Cocoon電催化劑,并用于催化酸性介質(zhì)中的甲醇氧化反應(yīng)(MOR)。采用XRD、Raman、XPS、BET和SEM測(cè)試手段對(duì)樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和化學(xué)表征,并用CV,CA電化學(xué)方法測(cè)試其對(duì)甲醇氧化反應(yīng)(MOR)的催化活性。電化學(xué)測(cè)試表明:Pt/Cocoon催化劑催化氧化甲醇的電流密度達(dá)到19.55mAcm-2,是相同方法制備的Pt/XC-72催化

6、劑的1.68倍,對(duì)甲醇氧化反應(yīng)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(yīng)用
　　通過(guò)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(jīng)過(guò)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(zhì)中的甲醇氧化反應(yīng)(MOR)。采用BET、Raman、XRD、EDX和TEM測(cè)試手段對(duì)樣品進(jìn)行了結(jié)

7、構(gòu)和化學(xué)表征,并用CV,CA電化學(xué)方法測(cè)試其對(duì)甲醇氧化反應(yīng)(MOR)的催化活性。電化學(xué)測(cè)試表明:相比于PtRuIr/XC-72,PtRuIr/C-Beef催化劑催化氧化甲醇反應(yīng)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(zhì)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(guò)二次碳化法碳化四種天然高分子材料制備了四種生物質(zhì)碳材料(2C-Cocoon、2C-Beef、2C-Blood、2C-Egg),