摘 要

氧还原反应（ORR）广泛应用于各个领域，如燃料电池、金属-空气电池等。开发新型高效、稳定、低成本的ORR催化剂是提高二者能量效率的关键，研究发现杂原子掺杂的碳材料作为ORR催化剂，展现出了良好的稳定性、甲醇耐受性和抗一氧化碳干扰能力，但复杂的合成方法和较差的导电能力制约了该类催化剂的进一步发展。生物质作为前驱体用来合成杂原子掺杂的碳材料的方法简单环保，因此受到了广泛的关注。同时，在材料中添加一定量的金属可以提高催化剂的导电性能。

本论文以过渡金属铜盐、橘子皮粉为前驱体，在氮气保护条件下高温碳化，制备了Cu_xO-Cu/C材料，并运用X射线粉末衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等技术手段对所制备的Cu_xO-Cu/C材料进行表征，之后对Cu_xO-Cu/C材料进行了电催化性能测试。电化学研究发现橘子皮粉与乙酸铜质量比为1:2、800℃碳化条件下制得的Cu_xO-Cu/C材料展现出最佳的催化性能，半波电位达到0.766 V。

关键词：氧还原反应；杂原子掺杂的碳材料；生物质；铜

Abstract

Oxygen reduction reaction (ORR) is widely used in various fields, such as fuel cell, metal-air cell, etc. In order to improve the energy efficiency, it is necessary to research the efficient, durable and low-cost electrocatalysts for ORR. Researchers found that heteroatoms-doped carbon materials showed the good electrochemical stability, a high tolerance to methanol and could avoid the poison of CO. However, the development of the heteroatoms-doped carbon materials is limited due to the complex synthetic method and the poor electrical conductivity. The method which biomass is used as a precursor to synthesize heteroatom-doped carbon materials is simple and clean, and attracts more attention. Meanwhile, the addition of a certain amount of transition metal in the materials could improve the electrical conductivity.

In this paper, copper salt and orange peels as the raw materials, Cu_xO-Cu/C materials were prepared by the carbonization under the high temperature and nitrogen protection. The structures of the prepared materials were characterized by XRD and XPS. The electrocatalytic activity of Cu_xO-Cu/C to ORR was tested. When the mass ratio of orange peels and Cu(CH₃COO)₂ was 1:2, the carbonization temperature was 800℃, Cu_xO-Cu/C had the best electrocatalytic activity, and the half-wave potential was 0.766V.

Key Words：Oxygen reduction reaction; heteroatoms-doped carbon material; biomass; copper

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 燃料电池简介 1

1.3 金属-空气电池简介 2

1.4 含Pt阴极氧还原催化剂的研究进展 3

1.5 非贵金属阴极氧还原催化剂的研究进展 4

1.6 以生物质为前驱体合成的杂原子掺杂碳材料在ORR中的应用 5

1.7 本论文研究的基本内容及目标 5

1.7.1本论文研究的基本内容 5

1.7.2本论文研究的目标 5

1.8 本论文研究的目的及意义 6

第二章 实验部分 7

2.1实验试剂 7

2.2实验仪器 7

2.3 Cu_xO-Cu/C材料的制备 8

2.4 工作电极的制备 8

2.4.1 工作电极的硫酸预处理 9

2.4.2 工作电极的制备 9

2.5 工作电极的电化学测试 9

2.5.1 工作电极的CV测试 9

2.5.2 工作电极的LSV曲线测试 9

2.5.3 工作电极的电化学活性稳定性测试 9

2.5.4 工作电极的甲醇耐受性能测试 9

第三章 结果与讨论 10

3.1 Cu_xO-Cu/C材料的表征 10

3.1.1 X-射线粉末衍射（XRD） 10

3.1.2 X-射线光电子能谱分析（XPS） 11

3.2 Cu_xO-Cu/C材料的电化学性能分析 12

3.2.1 循环伏安法（CV）分析 12

3.2.2 线性扫描伏安法（LSV）分析 13

3.2.3 电化学活性稳定性和甲醇耐受性测试分析 15

第四章 结论与展望 16

参考文献 17

致谢 19

第一章 绪论

1.1 引言

随着人类不断的开采以及大量的使用，化石燃料的储量逐年下降且日趋枯竭，同时化石能源在燃烧的过程中产生大量的温室气体及有毒气体。因此，寻找可再生的绿色能源是本世纪亟待解决的问题。燃料电池和金属-空气电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置，从理论上来讲，只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，其发电效率高，具有优越的能量转化能力，且对环境污染小，自问世以来便受到了科学家们广泛的关注^[1]。在燃料电池和金属-空气电池中，阴极氧还原反应（oxygen reduction reaction, ORR）的反应速率显著影响着电池的工作效率。但ORR反应在动力学上十分缓慢，需要寻找合适的催化剂加快反应速率。研究发现，含Pt的催化剂具有良好的催化活性和循环稳定性，但在自然界中Pt的丰富很低且价格昂贵，这限制了Pt催化剂大规模的商业化应用。所以，寻找与Pt催化性能相当的非贵金属催化剂成为研究的重点目标。

1.2 燃料电池简介

燃料电池（Fuel cells, FCs）是一种将燃料的化学能直接转化为电能的设备。自1839年W. Grove发明燃料电池以来，燃料电池得到了广泛的应用和研究 ^[2]。燃料电池第一次实际应用是在上个世纪的60年代，美国的阿波罗登月计划第一次把飞船的主供力系统设计为燃料电池^[3]。燃料电池的效率可以达到60%,具有优越的能量转化能力。燃料电池的原料主要为氢气等清洁能源，反应产物为水或少量二氧化碳，与化石燃料相比对环境污染非常小^[4]。

燃料电池的基本构成为阳极、阴极、电解液和燃料^[5]。按照工作温度、电解液的种类和燃料反应方式的不同，燃料电池可分为磷酸盐燃料电池(PAFC)、碱性燃料电池(AFC)等不同的类型。

近年来，关于燃料电池的研究已经取得了很大的进展，但是仍然面临着许多亟待解决的问题。其中，燃料电池电极的催化剂的选择和优化是研究的重点之一。阴极氧还原反应（ORR）影响着燃料电池的工作效率，并且该反应需要在有催化剂的条件下进行，所以需要寻找到一种对ORR反应有良好的催化性能的催化剂。一种良好的ORR催化剂不仅需要满足良好的稳定性、抗甲醇、抗一氧化碳中毒、低成本和制备简便这些要求，还需要满足以下几点要求：（1）有良好的导电性；（2）有大量的用于催化反应进行的活性位点；（3）氧气及中间产物吸附在活性位点上的比例要恰当。然而，由于材料本身的特性限制，目前尚无可能制备出满足以上全部要求的催化剂。制备性能优异并应用于催化阴极氧还原反应，使得燃料电池的效率显著提高达到真正可实用的程度还需要不断的探索。因此，科研工作的重点主要着眼于寻找催化性能优异的阴极ORR催化剂上，通过使用这种性能优异的催化剂来提高燃料电池的工作效率，满足社会日益增长的能源需求解决日益严重的环境污染问题，创造巨大的经济收益。

目前，应用于燃料电池阴极ORR催化剂主要使以含贵金属Pt的催化材料为主，但Pt在地球上的储量极低，价格十分昂贵，要想使得燃料电池达到真正的商业化应用，就必须要降低制备催化剂原料的成本，即减少催化剂中Pt的用量或直接放弃使用Pt使用其他原材料制备催化剂。所以，寻找与含Pt催化剂电催化性能相当的非贵金属阴极ORR催化剂的研究工作迫在眉睫。

1.3 金属-空气电池简介

金属-空气电池具有开放的电池结构^[6]，能持续供应阴极活性材料(氧气) ，具备超高的理论比能量密度(11700Wh·kg^-1) ，比锂离子电池高出几十倍，甚至能与汽油能源系统(13000Wh·kg^-1) 媲美^[7-8]，同时金属-空气电池还具有成本低廉、燃料和产物绿色无污染的优点，可以说是最有发展前景的能源存储装置之一。

金属-空气电池的构造包括金属阳极、空气电极、隔膜和电解液。空气电极由活性催化层、集流体和气体扩散层三部分构成。目前金属-空气电池研究主要集中在锂-空气电池、钠-空气电池、锌-空气电池等。

金属阳极在酸性电解液中会发生剧烈的置换氢气的反应，产生析氢现象，会导致严重的阳极腐蚀。除此之外，在强酸性的条件下大部分阴极ORR电催化材料的稳定性极差，所以金属-空气电池的电解液大多数情况下都为碱性。金属-空气电池基础的氧电化学反应机理分为两类: 水系电解液体系和非水系电解液体系。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：