氮掺杂碳气凝胶负载钴电催化剂的性能研究.pdf

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氮掺杂碳气凝胶负载钴电催化剂的性能研究1 氮掺杂碳气凝胶负载钴电催化剂的性能研究2 氮掺杂碳气凝胶负载钴电催化剂的性能研究3 氮掺杂碳气凝胶负载钴电催化剂的性能研究4
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第4卷第4期2010年12月材料研究与应用MATERlALSRESEARCHANDAPPLICATl0NV01.4,No.4Dec.2010———文章编号:16739981(2010)04046304氮掺杂碳气凝胶负载钴电催化剂的性能研究*陈胜洲1,杨’伟2,王松清1,刘自力1,林维明12(1.广州大学化学化工学院,广东广州510006;2.华南理工大学化学与化工学院,广东广州510640)摘要:以三聚氰胺、甲醛为单体,硝酸钴为金属前驱体,采用溶胶一凝胶法制备了氮掺杂的有机气凝胶,—在氩气气氛中高温炭化制得氮掺杂碳气凝胶负载钴氧还原电催化剂(Co-CAN).使用XRD、元素分析、全自动比表面积及微孔分析等方法对催化剂结构进行了表征.在0.5—tool・LHzSO。溶液中应用循环—伏安法和旋转圆盘电极检测催化剂氧还原活性。用商品PtRu/C作为阳极催化剂,自制Co-CAN为阴极催化剂,采用喷涂法制备了膜电极,并组装了DMFC单电池,考察了Co-CA-N对DMFc单电池性能的—影响.实验结果显示:Co-CAN具有较好的氧还原催化活性.关键词:钴;氮掺杂;氧还原反应;电催化中围分类号:0646文献标识码:A直接甲醇燃料电池(DMFC)具有能量密度高、环境友好等优点,因而被认为是未来便携电子产品的主要替代能源之一[I。2].目前DMFC阴极催化剂主要使用Pt或者Pt基合金催化剂,由于Pt资源匮—乏,价格昂贵,造成电池成本过高,严重阻碍了DMFC的商业化.同时甲醇渗透导致阴极Pt催化剂上“”发生电氧化,产生混合电位,且甲醇氧化产生的毒性中间体易使催化剂中毒,严重影响电池的输出性能.因此开发高活性的耐醇非贵金属氧还原催化剂是目前DMFC研究的关键问题之一.1964年Jasinski[3]使用含氮金属大环化合物作为氧还原电催化剂,而后众多学者对含氮非贵金属氧还原催化剂进行了大量的研究[4],在催化剂的制备方法和提高氧还原催化活性方面取得较大进展吲.碳气凝胶是一种新型的多孔碳纳米材料,通过控制溶胶一凝胶过程中催化剂浓度和溶剂浓度及其它制备条件,可对碳气凝胶颗粒的尺寸和孔径分布进行调节,因此在催化应用方面,碳气凝胶具有很大的吸引力¨J.众多学者研究发现碳载体中N含量是影响氧还原催化剂活性的关键因素吲.本文采用三聚氰胺、甲醛、硝酸钴为原料,制备了高含氮量的碳气凝胶负载钴氧还原催化剂,并研究了催化剂的氧还原电催化性能.1实验部分1.1催化剂制备将三聚氰胺及甲醛以摩尔比1:4混合并与适量的蒸馏水一起加入反应器中,以NaOH作初始反℃应催化剂,于70搅拌,待三聚氰胺完全溶解后加入一定量的硝酸钴[8].硝酸钴的加入量为2%,4%,8%(Co/C质量比).然后使用盐酸将溶液pH值调至1.8.将盛有溶液的烧杯放入不锈钢容器密封,在室温下放置五天,形成三聚氰胺甲醛湿凝胶.多次使℃用丙酮将湿凝胶中的水彻底置换,在40下真空干℃燥.然后在700下氩气气氛中高温炭化,即得氮掺杂碳气凝胶负载钴催化剂,根据钻含量不同分别记———为Co-CAN2,Co-CAN4,Co-CAN8.1.2催化剂电性能测试称取10mg—Co-CAN催化剂与1mL分散溶—收稿日期:20lO一1018—*基金项目:国家自然科学基金(21076048);广东省科技计划项目(20098011000022)l广州市科技计划项目(2009J1一C4311)作者简介:陈胜洲(1967~),男,湖北人,教授,博士.万方数据材料研究与应用液,配成10mg・mL-1的催化剂悬乳液,其中妒(乙醇)=20%,舻(Nafion)=6.250(即W(Fluka)一5%的混合溶液),然后超声15rain,形成均匀墨状浆液.将玻碳电极(直径为6ram)用Al:0。抛光粉抛光,分别在无水乙醇和二次去离子水中超声清洗,清洗后自然晾干.取10pL催化剂悬乳液均匀涂覆在玻碳电极上,用红外灯烤干即可,即为工作电极.本实验中电化学测试采用传统三电极体系,自制催化剂涂覆在玻碳电极上作为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,铂片为辅助电极.电解质溶液为0.5mol/L的H:SO。溶液,实验温度为25±℃l.采用循环伏安法和旋转圆盘电极测试,扫速为50mV/s.1.3DMFC单电池测试使用商用PtRu/C(JohnsonMattheyInc.)作为阳极催化剂,PtRu载量为0.35mg/cm,阴极催化剂——为自制CoCAN,金属载量为10mg/cm,质子交换膜采用Nation117膜(DuPont),根据文献E93制备MEA膜电极,组成单电池.电池运行条件为甲醇浓度2mol/L,甲醇流速1mL/min,氧气流速100℃mL/min,温度60.1。4结构测试称取0.1—g样品,加热真空干燥后,采用MicromeriticsASAP2020M型吸附仪通过低温N2吸附等温线测定样品的BET比表面积.催化剂体相有机元素分析采用ElementarVarioEI。III元素分析仪检测,分析催化剂中C,H和N元素含量.将粉末样品在样品槽中压平,采用XO-3型射线衍射仪型X射线衍射仪(北京普析通用仪器有限责任公司)进行XRD测试.测试条件为Cu靶激发的Kct辐射为射线源,管压为36kV,电流为20mA,扫描范围为10。~90。,扫描速度为4。/rain.2结果及讨论2.1结构测试样品在氩气气氛中炭化后,凝胶质量急剧减小.——————CoCAN2,CoCAN4及CoCAN8的失重率分别为90.73%,90.41%和89.79%.这可能是由于三聚氰胺和甲醛的聚合不完全造成的,在炭化的过程中未聚合的物质挥发后随气流排出.元素分析结果显——示,CoCAN中各元素含量分别为叫(C)=81.16%,"(H)=1.67%,硼(N)=2.54%.不同钴金属含量的样品中各元素含量相差不大.根据Co-CA-N2,Co-CA-N4及Co-CA-N8中各元素含量,经过计算得出催化剂金属含量.催化剂中C0元素的质量分数分别为5.74%,10.12%和14.21%.—低温N2吸附测定Co-CAN2,Co-CA-N4及—Co-CAN8的BET比表面积分别为329.21rn2/g,324.051T12/g和314.57ITl2/g,相差不大.——图1为CoCAN催化剂的XRD图谱.经检测,—不同Co含量的Co-CAN催化剂XRD图谱特征峰无太大差别.如图所示,氮掺杂碳气凝胶负载钴与李赏等人[1们使用硝酸钴与乙二胺共溶后热解制得钴氮化合物的特征峰相一致.图1C0-CA-N催化剂的XRD图谱2.2氧还原电催化性能测试—图2所示为Co-CAN催化剂在0.5mol/L的H。SO。溶液中的循环伏安图.测试前分别使用高纯氮和高纯氧通入H:SO。溶液鼓泡10rain.循环伏安测试结果显示,不同Co含量的催化剂循环伏安图相差不大,但阴极电流在O:饱和时都明显加大,说—明Co-CAN对氧还原具有催化活性.另外在O。饱和的0.5mol/L的H。SO。溶液中重复500个循环——后,循环伏安图谱没有明显变化,表明CoCAN催化剂具有较好的稳定性.由于氧还原电流受动力学影响很大,因此采用——旋转圆盘电极对CoCAN催化剂电极的氧还原进行动力学研究.旋转圆盘电极测试采用CHl760电化学工作站和旋转圆盘电极配合使用.图3为不同——Co含量的CoCAN催化剂在0.5mol/L的H2S0。溶液中转速为900r/rain的极化曲线,扫描前分别通入高纯氮或高纯氧.结果显示极化电流随催化剂万方数据第4卷第4期陈胜洲,等:氮掺杂碳气凝胶负载钴电催化剂的性能研究465中Co含量增加呈先增加后减少的趋势,这说明催化剂中金属含量存在一个最佳值,当金属含量超过‘这一最佳值,催化活性将会急剧下降11].图2Co-CA-N在0.5mol/L的H。S04溶液中的循环伏安图围3不同Co含量的Co-CA-N在0.5mol/L的H2S04溶液中转速为900rpm时的极化曲线图4为Co-CA-N4在不同转速下0.5mol/L的H。SO。溶液中的极化曲线,扫描前分别通入高纯氮或高纯氧.Co-CA-N在高转速下,在0.7~o.4V氧还原电位区间,随转速的增加,氧还原电流增加,在1800r/rain时呈现氧还原极限电流,表明在此电位区间氧还原受氧气的扩散控制.2.3DMFC单电池性能测试—使用效果最好的自制Co-CAN4催化剂作为DMFC单电池的阴极催化剂,考察催化剂对单电池性能的影响.阳极催化剂为商用PtRu/C(JohnsonMatthey),阳极催化剂载量为0.35mg/cm2,阴极催化剂载量为10mg/cm2.图5为DMFC单电池电流密度与放电电压和功率密度曲线,结果显示DMFC—单电池具有较好的性能,含Co-CAN催化剂的DMFC单电池最高功率密度分别为53.16mw/cm2,电流密度为240mA/cm2时,单电池放电电压分别为0.218V.由此可见,氮掺杂碳气凝胶负载非贵金属是DMFC的一种极具潜力的阴极催化剂.Currentdensity/fmA・cm2)图5直接甲醇燃料电池单电池性能3结论>o曲矗=o}=oU使用三聚氰胺、甲醛、硝酸钴制备了N掺杂碳气凝胶负载Co催化剂,测试了其阴极氧还原催化—活性.在酸性条件下,Co-CAN催化剂显示出较好的氧还原催化活性.在实验条件下进行DMFC单电池测试,单电池最高功率密度分别为53.16mW/cm2,电流密度为240mA/cm2.圈4‘1:竺N4。在o5m017L的H2s04溶液中不同转速参考文献:的极化曲线…云]LIU。二:soNGc,zHANGL,eta1.Areview。fan。de≥f暑u.暑一,^=呐cu勺J3事。厶万方数据466材料研究与应用2010catalysisinthedirectmethanolfuelceil[J].JournalofPowerSources。2006,155:95-110.[23杨伟,陈胜洲,邹汉波,等.氮掺杂非贵金属氧还原催化—剂研究进展[J].化工进展,2010,29(11):10101014E3]JASINSKIR.Anewfuelcellcathode—catalyst[J].Na—ture,1964,201:12121213.[4]ZHANGL,ZHANGJJ,WILKINSONADP,eta1.Progressinpreparationofnon-nobleelectrocatalystsforPEMfuelcellreactions[J].JournalofPowerSources,—2006。156(2):171182.E5]BEZERRACICEROWB,ZHANGL,LEEKC,eta1.AreviewofFe-N/CandCo-N/Ccatalystsfortheoxygenreductionreaction[J].EleetrochimicaActa,2008,53(15):4937-4951.[6]DUHD,LIBH,KANGFY,eta1.Carbonaerogel—supportedPt-Rucatalystsfo'rusingastheanodeofdirectmethanolfuel—cells[J].Carbon,2007,45(2):429435.[7]CHENGX,SHIz,NANCYG,eta1.AreviewofPEMhydrogenfuelcellcontamination:Impacts,mechanismsandmitigation[J].JournalofPowerSources,2007,165(2):739-756.[83NGUYENMH,DAOLH.Effectsofprocessing—variableonmelamine-formaldehydeaerogelformation[J].JournalofNon-Crystalline—Solids,1998,225(1):5157.[9]CHENSZ,YEF,LINWM.Effectofoperating—conditionsontheperformanceofadirectmethanolfuelcellwithPtRuMo/CNTsasanodecatalyst[J].InternationalJournalofHydrogen—Energy,2010,35(15):82258233.[10]李赏,周彦力,邱鹏,等.Co基非贵金属催化剂的制备及其氧还原电催化性能[J].科学通报,2009,54(7):881-887[11]BRONM,FIECHTERS,HII。GENDORFFM,eta1.Catalystsforoxygenreductionfrom—heattreated—carbon-supportedironphenantroline—complexes[J].JourhalofApplied—Electrochemistry,2002,32(2):211216.Studyonpropertiesofcobaltelectrocatalystssupportedon—NdopedcarbonaerogelcompositesCHEN—Shengzhoul,YANGWei2,WANGSong-qin91,LIUZi-lil,LIN—’Weimin912(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China;2.SchoolofChemistryandChemicalEngineering。SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)—Abstract:Ndopedcarbonaerogelcompositeswereobtainedfromorganicaerogelspreparedwith—melamine,formaldehyde,andcobaltnitrate,followedbycarbonization.Theactivityoftheelectrocatalystsfortheoxygenreductionreaction(ORR)wasinvestigatedusingcyclicvoltammeter(CV)andtherotatingdiskelectrode(RDE)techniquein0.5mol/LH2S04solution.Singlecellwasconstructedusing—PtRu/C(JohnsonMattheyInc)asanodecatalyst,the—selfmade—Co-CANascathodecatalyst,thetreatedNafion117membrane(DuPont)asprotonexchangemembrane.Thefuelcellperformanceofsinglecellswiththe—electrocatalystswasexaminedunderactualDMFCconditions.Cobaltsupportedon—Ndopedcarbonaerogelselectrocatalystsshowedgoodelectrocatalyticactivityfortheoxygenreductioninacidicsolutions.Key—words:cobalt;ndoped;oxygenreductionreaction;electrocatalysis万方数据
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