燃料电池阴极非贵金属催化剂—过渡金属氧化物CoFe2O4的研究

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燃料电池由于其高效率和低排放备受关注,被认为是最适用于固定和移动电源的装置。然而,在燃料电池的商业化进程中,Pt/C催化剂的使用限制了燃料电池的发展。目前,提高Pt的分散性、利用率和研究可替代的非贵金属催化剂是解决燃料电池商业化的关键。本文从研究非贵金属催化剂出发,制备了过渡金属氧化物CoFe2O4以及CoFe2O4/CPANI催化剂,并探究了其电催化性能。实验采用较温和的水热合成法制备CoFe2O4,并向CoFe2O4中掺入活性碳(Vulcan XC-72)进行导电性改进,制得CoFe2O4/C催化剂。通过XRD表征,得到的晶体特征峰与CoFe2O4粒子的非常相近,其平均粒径为15~25nm,由EDS能谱得到了晶体的元素含量以及原子比,进一步证明制得CoFe2O4,并通过SEM观察了其表面形貌。通过循环伏安测试(CV)和线性扫描(LSV)的结果表明:CoFe2O4和CoFe2O4/C在碱性环境中均有氧还原活性,但CoFe2O4/C催化剂氧还原活性更高,这是因为在CoFe2O4掺入了活性碳,使催化剂有效三相界面增大,从而提高了催化活性且当对其进行热处理时,氧还原活性得到进一步提高,这是由于CoFe2O4和活性碳的结合力增强,它们的协同作用使催化剂氧还原活性提高。通过进一步的研究,得到CoFe2O4: C的质量为2:1,煅烧温度为400℃时氧还原活性最好,接近商业化JM Pt/C催化剂。由旋转圆盘电极测试(RDE)的结果表明,氧还原进行的是准四电子过程。本文将制得的CoFe2O4与聚苯胺形成复合物,经过高温处理制得了CoFe2O4/CPANI催化剂。通过SEM表征,观察了催化剂的表面形貌且通过氧还原测试表明:制得的催化剂在酸性条件下具备一定的氧还原活性,氧还原的起峰电位约为0.86V (vs. RHE),不如商业化JM Pt/C催化剂,但由于其低成本以及制备条件适合大规模生产等优点,有望成为新型氧还原催化剂。旋转圆盘电极测试(RDE)的结果表明,氧还原反应进行的是四电子过程,表观反应方程式为:O2+4H++4e-=2H2O,稳定性测试表明,经过800圈老化后,CoFe2O4/CPANI仍能保持良好的电化学性能,而JM Pt/C在老化过程中随着扫描圈数的增加氢区明显减小,当循环800圈后已经没有明显的氢区,电化学活性衰减极快。老化前后的线性扫描也表明CoFe2O4/CPANI催化剂的氧还原电位变化不明显,而JM Pt/C的氧还原起峰电位则明显负移。因此,从实验室结果可知,本实验制得的CoFe2O4/CPANI催化剂具有更好的电化学稳定性。
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