燃料电池中阴极氧还原反应非贵金属催化剂的制备与研究

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燃料电池由于启动快、能量转化效率高、污染很小等特点,在汽车动力装置、移动电源以及发电厂都有比较良好的应用前景,但由于还有很多技术瓶颈不能解决,燃料电池还不能大规模商业化应用。阴极氧还原反应(ORR)由于受慢动力学影响和贵金属催化剂成本高、利用效率低的限制,成为制约燃料电池商业化的主要因素之一。碳负载的铂和铂合金催化剂是目前发现的最好的氧还原电催化剂,但金属铂储量少,价格昂贵。另外,对于醇类燃料,金属铂催化剂容易被氧化,从而降低电池的电位,牺牲电池的性能,而且在反应过程中产生的CO容易毒化贵金属催化剂,使催化剂失活,降低电池的性能。因此,目前的研究热点之一是活性高、稳定性好的非贵金属催化剂。聚吡咯类过渡金属催化剂,因其价格低廉,氧还原活性高,稳定性强,被认为是最有希望取代铂的低温燃料电池ORR催化剂之一。  本论文以钴盐为金属前躯体、炭黑BP2000为碳源/载体、聚吡咯(PPy)为碳氮源、对甲基苯磺酸(TsOH)为掺杂剂、乙二胺(ED)为螯合剂制备了催化剂PPy-TsOH-C/Co-ED,在酸性和碱性电解液中,考察了炭黑的预处理、掺杂剂及螯合剂、酸洗及二次煅烧、不同煅烧温度及不同钴含量等因素对催化剂活性的影响,并对催化剂的制备工艺进行了进一步的优化,探讨了活性中心。  实验结果表明,炭黑在浓硝酸中预处理能显著提高催化剂活性,同时加入掺杂剂TsOH和螯合剂ED,有助于催化剂活性的提高。酸洗和二次煅烧对催化活性有重要影响。通过对不同煅烧温度,不同Co负载量的催化剂进行分析表征,认为900℃、10%Co负载量是最佳反应条件,此时得到的催化剂活性最高。同时认为Co-N是活性中心。
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