电氧化肼负载型镍硼及镍磷催化剂的研制

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1、硕士学位论文电氧化肼负载型镍硼及镍磷催化剂的研制作者姓名文晓平学科专业材料加工工程指导教师王平教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年4月Researchanddevelopmentofsupportednickel-boronandnickel-phosphoruscatalystsforhydrazineelectrooxidationADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：XiaopingWenSupervisor：Prof.PingWa

2、ngSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China摘要燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。直接肼燃料电池(Directhydrazinefuelcells,DHFCs)因具有理论输出电压高(1.56V)、能量密度高(5.40kWh·kg1)、反应产物不污染环境等优点有望在移动/便携式电源应用。研发低成本、高活性、良好稳定性的阳极催化剂是推进DHFC商业化应用的关键。本文以DHFC阳极催化剂为研究内容，采用不同的化学合成方法制备出低成本高效负载型N

3、iB和NiP催化剂。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线光电子谱(XPS)等表征技术，对催化剂的形貌和结构进行了分析，同时通过循环伏安、线性扫描、计时电流等电化学方法测量催化剂催化活性及稳定性，以建立催化剂结构和性能的关系。论文所取得的研究成果为DHFC的商业化应用奠定了实验和理论基础，本论文主要研究内容如下：1.采用化学镀在泡沫镍表面生成由平均尺寸为380nm密集堆垛小球，以制备负载型NiB催化剂。通过XRD和选区电子衍射分析得出该催化剂是由非晶和纳米晶组成。oNiB催化剂

4、用于N2H4电催化氧化展现出了良好的循环稳定性。在30C电催化0.10MN2H4，其起始电位为0.09V，在电位为0.30V（相对于可逆氢电极）时，电流密度达到340mA·cm2。相比于已报道的多数DHFC阳极催化剂，该催化活性处于领先水平。此外研究发现适当提高反应温度、水合肼和氢氧化钠的浓度有利于对肼的电催化氧化。依据与Ni/泡沫镍活性对比和XPS分析催化剂表面元素价态结果，得出电催化性能提高可能是因为掺杂B元素调节了Ni电子结构，进而提高了其本征活性。2.以泡沫镍为载体，先水热制备具有纳米片层结构Ni(OH)2

5、前驱体，再磷化制备出一种负载型NiP催化剂。通过XRD和选区电子衍射分析得出NiP催化剂是由Ni12P5和Ni2P二相组成。在碱性条件下，研究其电催化氧化N2H4反应的性能，该催化剂对N2H4电化学氧化表现出优异的活性和耐久性。在同样电位下，NiP催化剂活性超过NiB催化剂，但其起始电位更正。结合理论和实验，对其催化机理进行了初步探讨。电催化性能提高同样可能是因为掺杂P元素调节了Ni电子结构，进而提高了其本征活性。关键词：NiB催化剂；NiP催化剂；肼氧化；燃料电池；电催化IAbstractAfuelcel

6、lisachemicaldevicethatdirectlyconvertsthechemicalenergyofafuelintoelectricalenergy.Directhydrazinefuelcells(DHFCs)areexpectedtobeusedinmobile/portablepowerapplicationsduetotheirhightheoreticaloutputvoltage(1.56V),highenergydensity(5.40kWh·kg1),andnon-pollutinge

7、nvironmentalproducts.Thedevelopmentoflowcost,highactivityandgoodstabilityanodecatalystsisthekeytoadvancingthecommercializationofDHFC.Inthispaper,DHFCanodecatalystswereusedastheresearchcontent.Differentchemicalsynthesismethodswereusedtopreparelowcostandhigheffici

8、encyNiBandNiPsupportedcatalysts.X-raydiffraction(XRD),scanningelectronmicroscopy(SEM),transmissionelectronmicroscopy(TEM),andX-rayphotoelectronspectroscopy(XPS)were