聚苯胺纖維基礎(chǔ)上摻氮碳材料的制備及其氧還原性能研究.pdf

1、燃料電池是一種能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，它的效率很高，且環(huán)境友好，被譽(yù)為“21世紀(jì)能源之星”。目前燃料電池還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化，一個主要原因是其陰極氧還原反應(yīng)最常用的催化劑是Pt基催化劑，而Pt的價格昂貴，嚴(yán)重制約著燃料電池的發(fā)展。因此，制備出能夠替代Pt且成本低、活性高、穩(wěn)定性好的陰極氧還原催化劑，是使燃料電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。近年來，摻氮碳材料因低廉的價格、優(yōu)異的氧還原活性、良好的抗甲醇性能以及高穩(wěn)定性，獲得了人們

2、的廣泛關(guān)注。
　　本論文以聚苯胺為主要原料，用不同的方法制備摻氮碳材料，通過多種表征方法分析了材料的形貌、組成及結(jié)構(gòu)，并對其氧還原性能進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)以聚苯胺為原料，經(jīng)過噴霧干燥、高溫碳化，制備摻氮碳材料。所制備的材料呈球狀，平均直徑為2μm，是由纖維相互纏繞形成的。研究了碳化溫度對材料ORR性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)碳化溫度為900℃時，制備的摻氮碳材料（CSDP-900）的ORR性能最好，起始還

3、原電位為-0.06V，幾乎和商業(yè)Pt/C催化劑相當(dāng);極限電流密度為6.4mA·cm-2，比商業(yè)Pt/C催化劑還要高1.9mA·cm-2。由KL方程計(jì)算出CSDP-900樣品的轉(zhuǎn)移電子數(shù)為4.3，為直接四電子反應(yīng)。CSDP-900的氧還原性能好，是因?yàn)闃悠分泻泻芨叩倪拎さ褪?br>　　(2)以聚苯胺和葡萄糖為原料，用水熱和高溫碳化活化的方法，制備了多孔摻氮碳材料。其中，碳化溫度為900℃時的樣品（PCPG-900）氧還原(ORR

4、)性能最好，在0.1M的KOH溶液中，轉(zhuǎn)速為1600rpm時，PCPG-900樣品的起始還原電位為-0.17V，接近商業(yè)Pt/C催化劑（-0.03V）;極限電流密度為5.4mA·cm-2，比商業(yè)Pt/C催化劑(4.5mA·cm-2)高大約0.9mA·cm-2;在電壓為-1.4V至-0.8V范圍內(nèi)，平均轉(zhuǎn)移電子數(shù)為4.2，說明反應(yīng)是直接4電子反應(yīng)。PCPG-900樣品的抗甲醇性能以及穩(wěn)定性都優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑。PCPG-900有優(yōu)異的

5、氧還原性能，是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)為多孔狀，比表面積高達(dá)1788m2·g-1，平均孔直徑為2.25nm，為介孔材料，能夠提供很多的活性位點(diǎn)。
　　(3)以聚苯胺和石墨烯為原料，用水熱的方法，制備了片狀的摻氮碳材料。用多種表征手段證明，形成了聚苯胺和石墨烯的均勻復(fù)合材料。氧還原性能研究結(jié)果表明，聚苯胺和石墨烯的比例為4的樣品（HP-GH-4）ORR性能最好。HP-GH-4的起始還原電位是-0.13V，和商業(yè)Pt/C催化劑接近，極限電流密度為6