多孔石墨烯基扩散层的制备及其在DMFC中的应用

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1、学号：12102709常州大学硕士学位论文多孔石墨烯基扩散层的制备及其在DMFC中的应用研究生庄辉曹剑瑜副教授指导教师陈智栋教授学科、专业名称应用化学研究方向应用电化学2015年6月Fabricationofporousgraphene-baseddiffusionlayeranditsapplicationindirectmethanolfuelcellADissertationSubmittedtoChangzhouUniversityByZhuangHui(AppliedChemistry)DissertationSupervisor:AssociateProfe

2、ssorCaoJian−yuProfessorChenZhi−dongApr，2015常州大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式标明。本人已完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权的说明本学位论文作者完全了解常州大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属常州大学。学校有权保留并

3、向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。学位论文作者签名：签字日期：年月日导师签名：签字日期：年月日中文摘要直接甲醇燃料电池（DMFC）具有能量密度高、燃料便于运输和设备简单等优点，作为便携式移动电源有着广阔的应用前景。然而目前直接甲醇燃料电池仍面临诸多问题，如电催化剂的高成本、甲醇渗透和阴极水淹问题。本文通过高温牺牲模板途径制备一种新

4、型的具有丰富介孔结构的石墨烯材料（M-Gr），使用M-Gr构建了介孔石墨烯基阴极扩散层，并进一步构筑了膜电极集合体（MEA），研究介孔石墨烯基阴极扩散层对DMFC性能和传质动力学的影响。结果显示，相比于传统的由XC-72R碳黑构建的阴极扩散层，介孔石墨烯基阴极扩散层可有效缓解阴极的水淹，电池性能提高了约18%，而且放电稳定性显著增强。其次，以氰胺和氧化石墨为前驱物，通过高温热解制备了氮修饰的石墨烯(N-Gr)。采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积和孔径分析(BET)、拉曼光谱分析(Raman)等表征技术对氮修饰的石墨烯的结构和形貌进行了表征。

5、电化学研究显示，氮修饰的石墨烯对阴极氧还原反应（ORR）具有较好的催化活性，是传统贵金属催化剂的有力替代者。此外，以氧化石墨烯和XC-72R碳黑为原料，通过真空抽滤制备了氧化石墨膜，进一步经化学还原得到石墨烯膜(Gr-F)。该膜具有高的导电率和-92-1极低的甲醇渗透率1.178×10cms，可用作阻醇膜，或用于修饰传统的Nafion膜。关键词：直接甲醇燃料电池；膜电极；扩散层；传质；石墨烯IABSTRACTAsanattractiveportablepowersource,directmethanolfuelcell(DMFC)showpromisingapplica

6、tionprospectsduetoitsadvantagesofhighenergydensity,easystorageandtransportationoffuelsandsoon.However,therearemanychallengesinthedevelopmentofdirectmethanolfuelcells,suchashighcostofcatalyst,methanolcrossoverandcathodeflooding.Inthisdissertation,firstly,anovelmesoporousgraphene(M-Gr)wasp

7、reparedviasacrificialtemplatemethod.Subsequently,porousgraphene-baseddiffusionlayerandmembraneelectrodeassembly(MEA)werefabricatedbyusingM-Grasthematerial.Theeffectofporousgraphene-basedcathodediffusionlayeroncell-performanceandmasstransferkineticswerealsoinvestigatedinde