基于动物骨头制备碳基电催化剂及性能研究

作     者：宋慧慧 

作者单位：西北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王荣方

授予年度：2015年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：氧还原反应 电催化剂 碳材料 鸡骨头 鱼骨头 

摘      要：建设资源节约型、环境友好型的社会是我们新世纪的目标,过去,在将化学能转化为电能这方面使用的主要能源是化石燃料,而化石燃料由于污染严重、资源有限等缺点已经不再符合新世纪的要求,取而代之的将是燃料电池,其中直接甲醇燃料电池(DMFC)使用甲醇作为燃料来产生电能,它高功率密度、高能量密度、低碳氧化物排放的优点,使其成为一个非常有前途的能源,在国防、能源、环保、通讯等领域有着极佳的应用前景。但是,在商品化DMFC中,有许多障碍必须得克服,如取代铂及铂基阴极催化剂,因为虽然它们是使用最多、活性最好的阴极催化剂,却存在价格昂贵、资源有限、抗甲醇能力差等问题,因此研究低价、高效的非铂及非贵金属/非金属阴极催化剂材料已成为甲醇燃料电池发展的重要话题。其中以生物质材料为原料制备氮掺杂碳材料作为电催化剂成为了热点,然而,传统的生物质碳材料主要是以植物型为主,动物型的研究很少,所以本论文以动物型生物质展开研究,以两种不同的动物骨头为原料,制得生物质碳材料催化剂,并通过XRD(X-射线衍射)、SEM(扫描电镜)、Raman(拉曼光谱)、BET(氮气吸脱附)、XPS(X射线光电子能谱)手段对催化剂的物相结构、表面形貌、碳化程度、比表面积及孔径分布、表面组成及元素状态进行了物理表征,采用CV(循环伏安法)和旋转圆盘电极(RDE)技术在碱性(KOH)介质中对氧还原反应进行了电化学分析,除此之外,也对其抗甲醇性能、稳定性进行了系统的评价。本论文由以下两部分组成:第一部分碳化鸡骨头来制备氧还原催化剂将废弃的鸡骨头分别经过碳化、酸处理、加铁并二次碳化(最终将铁除去)处理,最终得到催化剂CCB2,通过物理表征(XRD、SEM、Raman、BET、XPS)发现鸡骨头中稳定的化合物Ca10(PO4)6(OH)2对形成高表面积的微孔材料发挥了重要作用,通过化学分析(CV、LSV、抗甲醇性能、稳定性)将最终所得的催化剂与商业碳粉XC-72、商业Pt/C催化剂相比,发现在KOH碱性介质中,CCB2的半波电位和起始电位都明显优于商业碳粉XC-72,与商业Pt/C催化剂可以相媲美,且抗甲醇性能与稳定性较好,因此可以将CCB2直接作为氧还原催化剂。第二部分碳化鱼骨头来制备氧还原催化剂用处理鸡骨头相同的方法处理鱼骨头,最终制得氧还原催化剂CFB,将其进行一系列的物理表征和化学分析,结果表明:与商业Pt/C催化剂相比,在碱性介质中CFB催化剂有良好的电催化活性,半波电位和起始电位均发生正移,分别正移10 m V、30 m V,同时它具有良好的抗甲醇性能和稳定性。