尖晶石AB2O4(A,B=Co,Fe,Zn,Mn)复合碳纳米管双功能电催化剂的设计、制备及性能研究

黄秋实¹

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作者信息

1. 长江大学
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摘要

化石燃料的消耗带来的全球气候变暖问题日益严峻，碳达峰和碳中和的提出使人们转变发展思路，对高功率、高能量密度的储能系统需求不断增加。为了满足这些能源需求，开发了一系列新技术。燃料电池因其低成本、高能量密度、优良安全性和方便可携带等优点而受到人们的广泛关注。然而，由于燃料电池的阴极氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）动力学过程较为缓慢，反应的交换电流密度较低，为提高反应速率和转换效率，合理设计和合成用于氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的高效双功能电催化剂是燃料电池大规模商业化的关键。现如今的燃料电池，通常使用贵金属及其氧化物（Pt/C，RuO2，IrO2）来改善ORR和OER动力学过程，但是由于价格昂贵、资源短缺、稳定性差等缺点，制约了其广泛应用于商业生产。因此，开发出高效、廉价、耐用的ORR和OER非贵金属双功能电催化剂对燃料电池的进一步发展起着至关重要的作用。尖晶石材料作为过渡金属氧化物，具有价格低廉、优良的电催化活性、稳定性和环境友好性在内的诸多优点。然而，尖晶石氧化物自身电子导电率低，为了改善这一缺陷，通常将它与导电性良好的碳基材料复合，形成的复合材料既保证了快速的电子传导效率，同时也达到了更好的电催化活性。为了探究尖晶石氧化物与碳基材料复合后对燃料电池的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的影响，开展了如下工作：（1）实验通过简单的溶剂热法，合成出了Co3O4/CNT纳米复合材料，对材料进行了形貌、晶体结构的表征，证明了恰当的溶剂热法成功的合成了Co3O4及Co3O4/CNT。对材料进行氧化还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的电化学性能研究，实验结果表明尖晶石与碳纳米管复合后，由于碳纳米管紧密缠绕着尖晶石颗粒，使其电化学活性、稳定性有了明显的改善。（2）在实验（1）最优合成条件的基础上，用溶剂热法成功合成了尖晶石CoFe2O4、CoFe2O4/CNTs和CoFe2O4/CNTs/FA纳米复合材料，并探究了退火温度对材料性能的影响。本章节中，使用富马酸（FA）作为配位调节剂来控制晶体生长动力学过程。与CoFe2O4、CoFe2O4/CNTs相比较，该方法合成的CoFe2O4/CNTs/FA纳米复合材料具有杰出的的双功能催化性能，并且在碱性电解液中对于ORR具有半波电势E1/2=0.808V（vs.RHE），在电流密度10mA/cm2时OER的点位为1.62V（vs.RHE）。这明显优于未负载的CoFe2O4纳米颗粒和纯CNT。这种催化剂还显示出优于商业Pt/C催化剂的优异的甲醇耐受能力和耐久性。利用XRD、XPS和BET等表征方法证明了CoFe2O4/CNTs/FA纳米复合材料优异的电催化性能与富马酸对尖晶石晶体的配位调节生长和尖晶石与碳纳米管的协同作用有直接的关系。（3）为了进一步改进CoFe2O4/CNTs/FA纳米复合材料的电催化性能，对碳纳米管进行氮掺杂，得到的CoFe2O4/NCNT纳米复合材料表现出与Pt/C和RuO2相近的电催化活性，在碱性电解液中对于ORR具有半波电势E1/2=0.82V（vs.RHE），在电流密度10mA/cm2时OER的点位为1.62V（vs.RHE）,优于CoFe2O4/CNTs/FA纳米复合材料的电催化性能；并且拥有比贵金属更优异的电化学稳定性。利用XPS的表征，证明了合成的CoFe2O4/NCNT纳米复合材料存在着金属-氮配位键，说明氮成功的掺杂入碳纳米管中。CoFe2O4/NCNT纳米复合材料具有合成方法简单、电催化性能性能优异的优势，是一种有前景的非贵金属电催化剂。

关键词

尖晶石/碳纳米管/燃料电池/催化活性/双功能电催化剂

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授予学位

硕士

学科专业

化学工程

导师

颜学敏/常开军

学位年度

2021

学位授予单位

长江大学

语种

中文

中图分类号

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