基于叶绿素的生物质碳催化剂的制备及电催化性能研究

作     者：张泱 

作者单位：常州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦勇;董国材

授予年度：2022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：燃料电池 Co-N-C催化剂 Fe-N-C催化剂 生物质 氧还原反应 

摘      要：清洁和可再生能源技术,作为新一代能源转换装置,氢燃料电池以其特有的高效和环保性吸引了人们的目光。目前掣肘氢燃料电池发展的因素较多,而电催化剂的性能问题则是其中最主要之一,目前面向析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)和析氢反应(HER)的高效廉价的电催化剂的开发仍然是一个巨大的挑战。当前最有效的催化剂是贵金属Pt(用于ORR和HER)和Ru O(用于OER),然而,它们的稀缺性和高昂的价格阻碍了它们的大规模使用。因此,寻找廉价的非贵金属基催化剂用于水裂解、燃料电池和金属-空气电池,是开发清洁可再生能源的关键。在此,选取了廉价、资源丰富且富含叶绿体的生物质为前驱体,通过外加热解催化剂并结合碳化工艺制备了叶绿体基M-N-C(M=Fe,Co)电催化剂并探讨了其对ORR和HER的电催化性能研究,主要内容和结论如下:首先以富含叶绿体的植物菠菜为原料通过提取叶绿体提取和热褪火处理等工艺,成功地制造了性能优良的Fe-N-C催化剂。采用扫描电镜(SEM)、X-射线粉末衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)等对Fe-N-C材料进行了表征,发现材料为多孔结构,比表面积为128 mg,Fe和N的含量分别为0.45 at.%和3.32at.%。作为ORR的电催化剂,起始电位为0.97 V,半波电位为0.83 V;在0.80 V时,电流密度为3.9 m A cm,超过商业Pt/C催化剂(3.5 m A cm),而且具有良好的耐久性和抗甲醇性能,证明了通过锻烧叶绿体基前驱体制备高分散金属原子基催化剂是提高催化性能的一个有效途径。其次,为了简化催化剂的制备工艺,开发了以富含叶绿素的藻类为原料直接制备Fe-N-C催化剂的工艺。以螺旋藻为原料,采用预氧化和过渡离子交换,而后通过热褪火获得Fe-N-C催化剂。采用SEM、TEM、XRD、Raman等对Fe-N-C催化剂进行了表征,发现材料具有多孔结构,Fe和N的含量分别为0.34 at.%、4.86 at.%。用作ORR的催化剂时,Fe-N-C的起始电位为0.97 V,半波电位为0.85 V;极限电流密度为5.0 m A cm;Tafel斜率为49.8 m V dec,非常接近于Pt/C(39.4 m V dec),同时也具备和以提取叶绿体的菠菜原料制备的Fe-N-C催化剂相当的性能。因此实现了直接以含有叶绿体的藻类为原料直接制备高效的ORR催化剂,极大地简化了生产工艺。最后,在上述所制备的Fe-N-C材料基础上,成功制备了基于叶绿素的Co-N-C催化剂,并探索了其对HER和OER的电催化性能。采用SEM、XRD、TEM、Raman等对材料的组成与结构进行了表征,用作HER的催化剂时,在0.5 M HSO的酸性介质中,Co-N-C具有与Pt/C相当的较小的过电势(η=112 m V);Tafel斜率为86.0 m V dec,与Pt/C相近。用作OER的催化剂时,Co-N-C具有较好的性能,起始电位为1.53 V,达到电流密度为10.0 m A cm时的过电位(η)为359 m V,Tafel斜率为125.2 m V dec,具有一定的OER性能。论文直接利用含有叶绿素的生物质为前驱体,经离子交换、热解等工艺,成功制备了过渡金属与氮共掺杂的生物质碳催化剂,得益于金属原子在材料中的高度分散性,催化剂对ORR和HER展示出了优异的电催化性能,这对廉价高效电催化剂的开发及生物质的高值化利用等方面都具有十分重要的意义。