哈哈化工创新案列分析赵燕斌2(PPT33页)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,化,工,工,创,创,新,新,案,案,例,例,分,分,析,析,汇报人,：,：赵燕,斌,斌 孙,瑞,瑞婷,2019.12.25,PEMFC,非贵金,属,属氧还,原,原催化,剂,剂研究,进,进展,1,纽约州,立,立大学,布,布法罗,分,分校武,刚,刚教授,课,课题组,课题组,介,介绍,他于,2004,年在哈,尔,尔滨工,业,业大学,电,电化学,工,工程专,业,业获得,博,博士学,位,位，之,后,后在清,华,华大学,、,、美国,南,南卡罗,莱,莱纳大,学,学、美,国,国能源,部,部洛斯,阿,阿拉莫,斯,斯国家,实,实验室,从,从事博,士,士后研,究,究工作,。,。,武刚教,授,授长期,致,致力于,电,电化学,能,能源和,燃,燃料电,池,池催化,剂,剂的研,究,究，目,前,前任职,于,于纽约,州,州立大,学,学布法,罗,罗分校,，,，,2018,年晋升,为,为该校,的,的终身,教,教授，,以,以及担,任,任,RSCAdvances,期刊的,副,副编辑,。,。,目前已,经,经在国,际,际学术,期,期刊发,表,表研究,论,论文,190,多篇,主要研,究,究：,可再生,能,能源的,开,开发和,利,利用,电化学,能,能源转,化,化和存,储,储,光电催,化,化和先,进,进材料,能源电,催,催化领,域,域,2,CONTENTS,目 录,目录,3,01,研究背,景,景,4,环境污,染,染,1,研究背,景,景,5,清洁可,再,再生新,型,型能源,潮汐能,太阳能,风能,氢能,直接燃,烧,烧,燃料电,池,池,地热能,核能,1,研究背,景,景,6,表,1,常见燃,料,料电池,性,性能操,作,作条件,和,和适用,特,特性,1,研究背,景,景,燃料电池,操作温度（,）,能量密度,(,mW/cm,2,),能量效率（化学,-,电）,寿命,（,hr,）,成本（,$/KW,）,碱性燃料电池,60-90,100-200,40-60,10000,200,磷酸燃料电池,160-220,2000,55,40000,3000,质子交换膜燃料电池,50-80,350,45-60,40000,200,熔融碳酸盐燃料电池,600-700,100,60-65,40000,1000,固体氧化物燃料电池,800-1000,240,55-65,40000,1500,7,质子交,换,换膜燃,料,料电池,（,PEMFC,）,图,1,质子交,换,换膜燃,料,料电池,原,原理图,S.J.Peighambardoust,I,nternationaljournalofhydrogenenergy35(2010)934,9-,9384,氢气分子经扩散层进入阳极催化剂表面,阳极电解反应,H,2,2H,+,+2e,氧分子经扩散层进入阴极催化剂表面,阴极电解反应,O,2,+,2H,+,+2e,2H,2,O,电子通过外电路进入阴极,质子经质子交换膜到达,阴极,总反应,式,式：,2,H,2,+O,2,=2H,2,O,1,研究背,景,景,8,1,研究背,景,景,图,1,质子交,换,换膜电,池,池电堆,模,模块成,本,本构成,阴极氧,化,化还原,（,（,ORR,）催化,剂,剂,铂催化,剂,剂,非贵金,属,属,ORR,催化剂,目前,PEMFC,的商业,化,化受制,于,于高成,本,本铂催,化,化剂，,尤,尤其是,阴,阴极氧,还,还原反,应,应,(ORR),催化剂,。,。开发,非,非贵金,属,属氧还,原,原催化,剂,剂是降,低,低燃料,电,电池成,本,本，破,解,解对铂,等,等贵金,属,属依赖,难,难题的,有,有效途,径,径。,9,1,研究背,景,景,催化剂,性,性能的,改,改进,催化剂,的,的制备,方,方法,控制催化,剂,剂粒子以及,温,温度的,大,大小,调控催,化,化剂的,表,表面形,貌,貌结构,制备核,壳,壳结构,进行,表面修,饰,饰,10,02,研究进,展,展,11,2.1,聚苯胺,、,、铁和,钴,钴制得,的,的高性,能,能氧还,原,原电催,化,化剂,(,A,)高比,表,表面积,碳,碳与苯,胺,胺低聚,物,物和过,渡,渡金属,前,前体(M)混,合,合,(,B,)加入,APS,聚合氧,化,化苯胺,(,C,)第一,次,次 N,2,气氛中,进,进行热,处,处理,(,D,)酸浸,析,析,第二次,N,2,气氛中,处,处,理,Wu,G.,et al.(2011).Science 332,443-447.,掺杂氮,官,官能的,碳,碳壳可,能,能与金,属,属配合,包裹在石墨,、,、洋葱状碳,壳,壳内的金属,聚,聚集体,12,2.1,聚苯胺、铁,和,和钴制得的,高,高性能氧还,原,原电催化剂,电池电压为,0.4 V,的情况下进,行,行,700,小时性能测,试,试显示,：电池电流,密,密度在,0.340 A cm,-2,处几乎保持,恒,恒定,具有较高的,循,循环稳定性,具有较好的,活,活性,Wu,G.,etal.(2011).Science 332,443-447.,13,电位在0.6到1.0 V的范围内循,环,环10,000次，发现半,波,波电位下导,致,致电位损失,在,在60mV范围内,2.1,聚苯胺、铁,和,和钴制得的,高,高性能氧还,原,原电催化剂,30,000个电压循环,不,不会导致电,流,流密度损失,超,超过20%,较好的稳定,性,性,Wu,G.,etal.(2011).Science 332,443-447.,14,Wu,G.,etal.(2011).Science 332,443-447.,2.1,聚苯胺、铁,和,和钴制备催,化,化剂,纳米纤维结,构,构,(,纤维直径约,40 nm,，长度约,200 nm,）,更加球状的,颗,颗粒，更加石墨化,颗粒形貌变,得,得高度不均,匀,匀，伴随着,较,较大的表面,积,积损失,缺点：存在,活,活性和耐久性,方,方面的剩余,性,性能差距,进一步增加,活,活性位点密,度,度，提高活,性,性和稳定性,15,Qiao,Z.,et al.,(2017).,ApplCatalB-Environ,219,629-639,2.2.,水凝胶法合,成,成催化剂,铁掺杂到,PANI,基水凝胶,冷冻干燥,三维骨架前,体,体,聚合,聚苯胺水凝,胶,胶,高温碳化,带有,N,、,Fe,掺杂的多孔,碳,碳基体,16,Catalysts,Current density at 0.8 V(mA/cm,2,),Onset potential(V),E,1/2,potential(V),Support-free Fe-PANI,-0.2,0.9,0.68,Fe-PANI-KJ,-1.6,0.9,0.79,Fe-PANI-hydrogel,-2.2,0.93,0.80,Fe-PANI-MLMN-hydrogel,-3.1,0.95,0.83,Fe-PANI-EN-hydrogel,-3.4,0.95,0.83,乙烯二胺,(EN),和三聚氰胺,(MLMN),可以有效地,增,增加活性位,点,点的密度，,阳,阳性,E,1/2,更多,Qiao,Z.,et al.,(2017).,ApplCatalB-Environ,219,629-639,2.2.,水凝胶法合,成,成催化剂,17,10,000,次循环后，,在,在,E,1/2,中只有,14 mV,的损耗,更好的稳定,性,性,Qiao,Z.,et al.,(2017).,ApplCatalB-Environ,219,629-639,2.2.,水凝胶法合,成,成催化剂,短棒状相互,连,连接组装的,结,结构,多孔的纳米,片,片状结构,三维骨架碳,结,结构,18,Qiao,Z.,et al.,(2017).,ApplCatalB-Environ,219,629-639,2.2.,水凝胶法合,成,成催化剂,缺点：,产生,Fe/Fe,3,C,团聚,相对,Fe-N-C,催化剂（,水凝胶法合,成,成）,ORR,性能改善没,有,有任何好处,峰值相对较窄，在碳相中石,墨,墨化程度较,高,高,加入,EN,和,MLMN,之后使催化,剂,剂的性能有,所,所提升,19,2.3,一步热活化,法,法,Fe,掺杂的沸石,咪,咪唑酯骨架,(ZIFs),后续一步热,活,活化是将,Fe-N,4,配合物转化,为,为嵌入多孔,碳,碳相中的活,性,性,FeN,4,位点的关键,通过化学掺,杂,杂,Fe,离子到,ZIF,中，然后一,步,步热活化，,制,制备了一种,没,没有金属凝,聚,聚的单原子,Fe,催化剂,Zhang,H.G.,et al.,(2017).,J AmChemSoc,139,14143-14149.,通过活化温,度,度调控粒径,大,大小,颗粒大量聚,集,集,三维有机骨,架,架纳米晶体,20,催化剂仅损,失,失,20 mV,更高的稳定,性,性和活性,半波电位达,到,到,0.85V,，与商业化,Pt/C,仅有,30 mV,的差距,Zhang,H.G.,et al.,(2017).,J AmChemSoc,139,14143-14149.,2.3,一步热活化,法,法,Fe,掺杂的沸石,咪,咪唑酯骨架,(ZIFs),21,Zhang,H.G.,et al.,(2017).,J AmChemSoc,139,14143-14149.,会形成,Fe,2+,或,Fe,3+,，与,H,2,O,2,反应生成羟,基,基和过氧化,自,自由基,Fe,2+,+H,2,O,2,Fe,3+,+OH,-,+OH,据计算在,pH=4,的溶液中，,OH,自由基的氧,化,化电势高达,2.73V,，氧化能力,仅,仅次于氟气,H,2,O,2,+Fe,3+,Fe,2+,+O,2,+2H,+,O,2,+Fe,3+,Fe,2+,+O2,氧化电势只,有,有,1.3 V,左右,缺点：,Fe,和过氧化物,产,产生的自由,基,基，导致有,机,机离聚物和,膜,膜的严重降,解,解,2.3,一步热活化,法,法,Fe,掺杂的沸石,咪,咪唑酯骨架,(ZIFs),芬顿反应（,Fenton,）,22,均匀分散的,原,原子,Co,位点,(,白点,),清晰可见,性能最佳的,Co-,掺杂,ZIF,催化剂的总,体,体形貌，显,示,示了均匀的,碳,碳颗粒,EEL,光谱中同时,存,存在,N,和,Co,，表明它们,以,以,CoNx,的形式共存,没有观察到,N,或,Co,Wang,X.X.etal.(2018).AdvMater 30.,2.4,一步热活化,法,法,Co,掺杂金属有,机,机框架,MOF,23,Co/(Zn+Co),比值高于,0.06,时，,399.2eV,处有一个额,外,外的峰值,形成由与钴结合的,氮,氮,(CoN,4,),同样地，在,781.7eV,处,CoN,4,基团,2.4,一步热活化,法,法,Co,掺杂金属有,机,机框架,MOFs,Wang,X.X.etal.(2018).AdvMater 30.,24,掺杂到,ZIF,前体的,Co,含量的,ORR,稳态极化图,最佳催化剂,半,半波电位损,失,失,30mV,掺杂到,ZIF,前体的不同,温,温度的,ORR,稳态极化图,半波电位,E,1/2,为,0.80V,，,在酸性介质,中,中只比,Pt/C,低,60 mV,Wang,X.X.etal.(2018).AdvMater 30.,2.4,一步热活化,法,法,Co,掺杂金属有,机,机框架,MOFs,缺点：没有,Fe-ZIFs,活性和稳定,性,性好,优点：解决,了,了,Fe,和过氧化物,产,产生自由基,导,导致有机离,聚,聚物和膜的,严,严重降解问,题,题,25,2.5,壳核结构的,MOFs,催化剂,表面活性剂,层,层首先碳化,，,，形成碳壳,覆,覆盖在,Co-ZIF-8,多面体上,He,Y.H.,et al.,(2019).,EnergEnviron Sci,12,250-260.,Co-N-CF127,催化剂的,BET,比表面积和,总,总孔体积分,别,别为,825 m,2,g,1,