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《湖北大学》 2017年
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过渡金属硒化物的合成、改性及其氧还原性能研究

余贝贝  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(PEMFC)是将燃料的化学能直接转化为电能的一种电化学装置,由于它们的能量转换效率高、操作温度低、排放量低,因此被视为最有前途的能源之一,在运输能源、新一代能源和便携式电子设备等方面均可应用。然而,与燃料在阳极的氧化反应相比,最主要的瓶颈在于其本身阴极动力学的迟缓性,使得氧还原反应(ORR)极度缓慢。到目前为止,铂及其合金是公认最有效的ORR催化剂,但是其成本高昂、储量少阻碍了燃料电池的大规模应用。近年来,由于过渡金属硒化物较好的氧还原催化活性和稳定性,从而受到了人们广泛的关注。本论文的主要内容包括以下几个方面:(1)Co基硒化物的可控制备及其在氧还原中的应用采用一步溶剂热法合成了不同硒含量的Co基硒化物。通过X-射线衍射、扫描电子显微镜、X-射线光电子能谱、热重分析对所制备催化剂的物理性能进行了表征。而他们的电化学性能是通过循环伏安法、线性扫描伏安法、电化学阻抗谱和计时电流法进行表征的。结果表明,硒含量为75 mol%的Co基硒化物(Co-Se-75)在氧还原反应中显示出了更好的电催化活性,和其它物质相比,它有最高的起始电位(0.708 V)、还原电流(2.81 mA cm~(-2))和4e~-氧还原过程。而且,Co-Se-75比商业的Pt/C(20 wt%Pt)催化剂表现出更好的稳定性和对甲醇、乙醇、乙二醇的抗醇性能。(2)M(M=Fe,Ni,Mo)掺杂CoSe_2的可控制备及其在氧还原中的应用在上述Co-Se-75上分别掺杂Fe、Ni和Mo三种过渡金属以形成一系列Co_xFe_(1-x)Se_2、Co_xNi_(1-x )Se_2和Co_(1-x)Mo_xSe_2三元硒化物。通过电化学测试研究了Fe、Ni和Mo的含量在氧还原反应中的影响。测试表明,Co_xFe_(1-x )Se_2系列中Co_(0.7)Fe_(0.3)Se_2显示了最高的氧还原催化活性,Co_xNi_(1-x)Se_2系列中Co_(0.7)Ni_(0.3)Se_2显示了最高的氧还原催化活性,而Co_(1-x)Mo_xSe_2系列中Co_(0.85)Mo_(0.15)Se_2显示了最高的氧还原催化活性。同时,Co_(0.7)Fe_(0.3)Se_2、Co_(0.7)Ni_(0.3)Se_2和Co_(0.85)Mo_(0.15)Se_2进行的都是4e~-氧还原过程。此外,Co_(0.7)Fe_(0.3)Se_2的阴极峰电位(0.564 V)和起始电位(0.759 V)比Co_(0.7)Ni_(0.3)Se_2(0.558 V和0.741 V)的更正。而Co_(0.7)Fe_(0.3)Se_2和Co_(0.85)Mo_(0.15)Se_2比商业的Pt/C(20 wt%Pt)催化剂显示了更好的稳定性和对甲醇、乙醇、乙二醇抗醇性能。(3)M/CoSe_2(M=MoS_2,Fe_3O_4)复合材料的可控制备及其在氧还原中的应用a:采用两种不同的水热方法控制合成一系列的MoS_2/CoSe_2复合物。采用X-射线衍射、X-射线光电子能谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜对不同MoS_2含量的MoS_2/CoSe_2复合物进行了表征。采用旋转圆盘电极在氧气饱和的0.5 M H_2SO_4溶液中研究了MoS_2/CoSe_2复合物对氧还原反应的电化学活性和稳定性。电化学测试结果表明,所有的材料均对氧还原反应具有催化作用。此外,通过第一种方法在CoSe_2上负载30%MoS_2(CoSe_2-30a)显示出最佳的电催化活性。它的起始电位(0.741 V)和半波电位(0.570V)均高于通过第二种方法在CoSe_2上负载20%MoS_2(CoSe_2-20b,0.737 V和0.565 V)、CoSe_2(0.708 V和0.560 V)和MoS_2(0.698 V和0.429 V)。最重要的是,CoSe_2-30a比CoSe_2-20b、CoSe_2和MoS_2表现出更优异的稳定性和抗甲醇性。b:一系列的Fe_3O_4/CoSe_2复合物被合成来作为氧还原反应催化剂。并探讨了不同含量的Fe_3O_4对基体CoSe_2结构和性能的影响。一系列电化学测试表明:通过第二种方法在CoSe_2上负载30%Fe_3O_4(C30b)时表现出最高的氧还原反应活性,在氧气饱和的0.5M H_2SO_4溶液中测得的起始电位为0.775 V,半波电位为0.600 V,Tafel斜率为65 mV decade~(-1),其催化效果优于通过第一种方法在CoSe_2上负载20%Fe_3O_4(C20a,0.753 V,0.567 V,67 mV decade~(-1))、CoSe_2(0.708 V,0.560 V,66 mV decade~(-1))、Fe_3O_4(0.700 V,0.556 V,79 mV decade~(-1))。C30b高的氧还原反应活性可能是由于CoSe_2和Fe_3O_4材料之间的电催化协同效应大大增加了C30b催化活性位点。更重要的是,C30b显示出更好的稳定性和抗甲醇、乙醇和乙二醇性能。
【学位授予单位】:湖北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O643.36;TM911.4

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