摘 要

近几年来，燃料电池因其能量转化率高、环境友好、排放的产物相对清洁，被认为是 21 世纪首选的洁净、高效的电力装置。但其有效运行主要依赖于Pt基催化剂催化氧还原反应。Pt是贵金属且自然界储量有限，同时Pt基催化剂的耐久性存在很大问题且Pt易被CO等占据活性位点，失去催化活性。所以找到一种催化剂替代Pt基是燃料电池发展的重要途径，在众多非Pt催化剂中，过渡金属氮-碳M-N/C型非贵金属催化剂是Pt替代催化剂。本文采用1-甲基咪唑与3-溴丙炔合成离子液体，以离子液体为前驱体，同时以不含碳的无机盐为模板，通过盐模板法合成了具有高比表面积的氧还原催化剂。在铁、钴和镍三种非贵金属中，以铁为材料的M-N/C，模板为ZnCl₂/KCl，离子液体与盐模板比例为1:7，碳化温度为900 ℃所制备的催化剂性能最好，为本实验的最佳催化剂，与商业Pt催化剂性能相差无几。

关键词：燃料电池，盐模板，离子液体，氧还原催化剂

Abstract

In recent years, fuel cell is considered to be the choice for clean and efficient power generation technology of the 21st century in owing to its high energy conversion ,environmental friendly and the product of emissions is relatively clear. However its effective operation mainly depends on the Pt catalyst oxygen reduction reaction. Pt is the precious metal and durability of Pt is also a difficuty, so find a catalyst to replace Pt is an important way of promoting the fuel cell commercialization .M-N/C type in the number of Pt catalyst non-noble metal catalyst was the most promising alternative green catalyst beyond Pt . This experment uses 1 - methylimidazole and 3 - bromine propiolic to synthesis ionic liquids, ionic liquids as carbon,nitrogen source, inorganic salt as a template, using salt template synthesized high specific surface area catalyst for oxygen reduction.In iron ,cobalt and nickel three kinds of non-noble metal , iron as the best material of the MN/C, the template of ZnCl₂ / KCl and ionic liquids with salt template mass ratio for 1:7 , final carbonization temperature is 900 ℃ to prepare catalyst,whose the experiment performance is comparable to commercial Pt catalyst .

Key Words : fuel cell, salt template, ionic liquid, oxygen reduction reaction catalyst

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1燃料电池简介 1

1.2燃料电池的分类与工作原理 1

1.3质子燃料膜电池（PEMFCs）简介 2

1.4 PEMFC阴极催化剂研究现状 3

1.4.1贵金属催化剂 3

1.4.2非贵金属催化剂 3

1.4.3非金属催化剂 4

1.4.4过渡金属-氮-碳催化剂 5

1.5离子液体简介与制备方法 5

1.6盐模板简介 6

1.7选题意义与研究内容 6

1.7.1 选题意义 6

第2章 实验部分 8

2.1试剂与材料 8

2.2实验仪器 9

2.3反应方程式与条件 9

2.4实验步骤 10

2.4.1 Fe-N/C催化剂的制备 10

2.4.2 Co-N/C催化剂的制备 11

2.4.3 Ni-N/C催化剂的制备 12

2.5墨水的配置 13

第3章 结果与讨论 14

3.1催化剂的表征与测试方法 14

3.1.1 催化剂的表征方法 14

3.1.2电化学性能的测试方法 14

3.2 结果与讨论 14

第4章 结论及展望 24

4.1结论 24

4.2 创新点 24

4.3展望 25

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1燃料电池简介

从古至今，能源一直与人类的发展与生存密切相关，在人类的衣食住行中扮演着重要的角色。但是近几十年来，为了经济的高速发展和国家建设，人们对能源过度的进行开采，不仅破坏人类赖以生存的环境，而且带来一系列负面问题。如近几年在全国各地频繁发生的雾霾，温室效应导致的冰川储量锐减，河流水位上涨。能源的不可再生性同时也决定了能源越来越稀少，能源价格也会越来越昂贵，如果继续无节制的开采能源，在不久的将来，人们需要投入更多的精力、金钱与时间，却只能获得更少的能源。由于目前装置的能源转化率不高，很大一部分能源并没有得到合理的应用，往往以有毒有害气体的形式，如氮氧化合物、硫氧化合物等，飘散在空中，危害人们的健康，造成心肺疾病。而且下雨时，气体溶解于雨水，形成酸雨，不仅容易毁坏建筑物还对人体的皮肤造成伤害。近几年来，因为生存环境越来越恶劣，人体发病率逐年增高，尤其以老人和小孩为主要受害群体，所以当务之急是发展一种高效、环保和清洁的能源装置。

燃料电池可以直接将燃料的化学能转化成电能，且能量转化率高，大约为40% ~ 60%^[1]。同时，燃料电池在整个能量转化过程中不排放氮氧化物和硫氧化物等有毒有害气体，二氧化碳的排放量也不多。因为燃料电池所具备的这些优点，也将燃料电池称为“绿色能源装置”。

1.2燃料电池的分类与工作原理

燃料电池有多种分类方法，其中一种分类方法是根据电池所采用电解质的不同进行分类，可以分为五大类:1.碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell， AFC)、2.磷酸燃料电池(Phosphorous Acid Fuel Cell， PAFC)、3.熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell， MCFC)、4.固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)、 5.质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC)，其中包括直接甲醇燃料电池（DMFC）^[2]。

燃料电池的燃烧原料主要为氢气与氧气。氧气为自然界储量第二高的气体，性质稳定，来源广泛。燃料电池主要由阴极、阳极和电解池三部分构成，氢气为阳极反应原料，氢气在阳极催化剂催化下发生反应，生成质子与电子，质子通过电解池到达阴极，电子通过外电路到达阴极，并产生电流，为其他装置提供电能。氧气为阴极上反应原料，经阴极催化剂催化与游离到阴极的质子发生还原反应得到电子生成水，所以燃料电池的总反应为氢气与氧气反应生成水。