论文部分内容阅读
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)具有高效、易启动、污染小等优点,被认为是21世纪最有希望的绿色能源技术之一。燃料电池催化剂是PEMFCs的关键材料之一,而现今PEMFCs阴极催化剂以Pt基催化剂为主,但Pt价格昂贵、资源紧缺,而且易CO中毒而失活。为了降低催化剂价格和对贵金属的依赖,发展燃料电池非贵金属催化剂来代替Pt基催化剂,对PEMFCs商业化具有十分重要的意义。在诸多的非贵金属催化剂当中,碳基非贵金属催化剂被认为是最有希望的阴极催化剂之一,开发和研究新型的碳基非贵金属催化剂具有重要的意义。本文采用原位聚合法制备本征态的聚苯胺、盐酸掺杂的聚苯胺、氢氟酸掺杂的聚苯胺、硫酸掺杂的聚苯胺和磷酸掺杂的聚苯胺,然后分别将这些聚苯胺在一定的温度下进行热处理,得到各种CNx催化剂。实验考察了不同无机酸掺杂对催化剂结构和ORR催化性能的影响,利用XRD、Raman和TEM对催化剂结构进行表征,用旋转圆盘电极(RDE)对其氧还原反应(ORR)活性进行了评价。采用原位聚合法制备聚苯胺包裹的碳化钨,将这些聚苯胺包裹的碳化钨在700℃到1100℃范围内进行了热处理,得到W-N-C催化剂。实验考察了热处理温度对催化剂性能的影响,采用XRD、TEM和XPS对催化剂结构进行表征,用RDE对其催化活性和稳定性进行了评价。结果表明,各种无机酸掺杂碳基催化剂的ORR活性与无机酸的种类密切相关,经过酸掺杂后催化剂的ORR活性有着不同程度的提高。另外,还表明W-N-C催化剂的催化性能随热处理温度成“火山型”变化,从700℃到1100℃催化剂的ORR活性随着热处理温度的升高而升高,在温度为1000℃的时催化剂的ORR活性达到最大值,接着继续升高温度到1100℃时,其ORR活性反而下降。对1000℃的W-N-C催化剂进一步研究,在当热处理温度达到1000℃时,有部分的WC转化成了纳米颗粒的W,而且催化剂中存在着纳米结构的石墨壳和高比率的石墨氮。其中存在着纳米石墨壳的结构和高比率的石墨氮可能是1000℃的W-N-C催化剂高活性的原因。