臺灣博碩士論文加值系統

本研究主要研發出非貴金屬的陰極觸媒，所採用配方為導電高分子的聚苯胺與二茂鐵，添加乙二胺當螯合劑。以溶劑熱法將此配方的化合物形成環大螯合物，為了增加活性位點，將配製完成的化合物置於高溫管狀爐使之熱解，調整不同鍛燒溫度為700、800、900以及950°C。被合成的觸媒由X-光繞射儀、拉曼光譜儀、功能性穿透式電子顯微鏡、場放射型掃描式電子顯微鏡、X-光電子光譜儀、恆電位電流儀，進行觸媒性能分析。
結果可知PANi-Fe-C-900 極限電流密度為-7.73 mA/cm2而商用觸媒Pt/C 20%的極限電流密度為-6.85 mA/cm2。代表PANi-Fe-C-900觸媒的氧還原催化活性比商用觸媒佳。因此PANi-Fe-C-900觸媒有機會發展成為高效率質子交換膜燃料電池的陰極觸媒。

In this study, a non-precious metal cathode catalyst was developed, which was made of a conductive polymer of polyaniline and ferrocene, and an ethylenediamine as a chelating agent. The compound of the formula is formed into a cyclic macrochelate by a solvothermal method. In order to increase the active site, the formulated compound is placed in a high temperature tubular furnace to be pyrolyzed, and the different calcination temperatures are adjusted to 700°C, 800°C, 900°C and 950°C. The synthesized catalyst was analyzed by X-ray diffractometer, Raman spec-troscopy, Functional transmission electron microscope, Field emission scanning electron microscope, X-ray photoelectron spectrometer.
The results show that the limit current density of PANi-Fe-C-900 was -7.73 mA/cm2 and the limit current density of commercial catalyst Pt/C 20% was -6.85 mA/cm2. The oxygen reduction catalytic activity repre-senting the PANi-Fe-C-900 catalyst is better than that of the commercial catalyst. Therefore, PANi-Fe-C-900 catalyst has the opportunity to de-velop into a high efficiency cathode catalyst for proton exchange mem-brane fuel cells.

目錄

摘要 I頁
Abstract II頁
誌謝 III頁
目錄 IV頁
表目錄 VI頁
圖目錄 VII頁
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 研究架構 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 燃料電池的概述 4
2.2 燃料電池的發電原理 5
2.3 燃料電池的種類 6
2.4 燃料電池的優點 8
2.5 高分子聚合物電解質膜的燃料電池(PEMFC) 9
2.5.1 PEMFC發電原理 10
2.5.2 PEMFC構造 11
2.5.3 質子交換膜(PEM) 12
2.5.4 觸媒層(Catalyst Layer) 13
2.5.5 氣體擴散層(Gas Diffusion Layer) 13
2.5.6 氧氣還原反應(Oxygen Reduction Reaction, ORR) 13
2.5.7 電極反應與極化現象 17
2.6 導電高分子(Conducting Polymer) 18
2.7 聚苯胺(Polyaniline) 20
2.7.1 聚苯胺的合成 23
2.8 二茂鐵 24
2.9 水熱法(Hydrothermal method) 26
2.10 乙二胺 (Ethylenediamine) 26
第三章 實驗 28
3.1 實驗藥品 28
3.2 儀器設備 30
3.3 實驗步驟 34
3.3.1 聚苯胺製備 34
3.3.2 觸媒製備 35
第四章 結果與討論 37
4.1 PANi-Fe-C觸媒之LSV電化學能分析 37
4.2 PANi-Fe-C觸媒之XPS束縛能分析 39
4.3 PANi-Fe-C觸媒之XRD晶相鑑定 43
4.4 PANi-Fe-C觸媒之Raman有序性分析 45
4.5 PANi-Fe-C觸媒之SEM型態鑑定 46
4.6 PANi-Fe-C觸媒之TEM型態鑑定 48
第五章 結論 49
參考文獻 50

表目錄

Table 2.3-1各種燃料電池種類比較圖 7
Table 2.7-1聚苯胺的氧化狀態 21
Table 3.3.2-1各觸媒代表號 36
Table 4.1-1不同鍛燒溫度製備PANi-Fe-C觸媒之LSV分析表 39
Table 4.2-1 不同鍛燒溫度製備PANi-Fe-C觸媒之XPS元素分析表 40
Table 4.2-2不同鍛燒溫度製備PANi-Fe-C觸媒N1s XPS束縛能分析 42
Table 4.4-1 不同鍛燒溫度製備PANi-Fe-C觸媒之紊亂程度表 46

圖目錄

Figure 2.1-1葛洛夫電池結構之示意圖，h代表氫氣o代表氧氣 5
Figure 2.5.2-1 PEMFC 之單電池結構 11
Figure 2.5.3-1 Nafion 結構式 12
Figure 2.5.5-1碳紙類的氣體擴散層 13
Figure 2.5.6-1 RDE示意圖 16
Figure 2.3.2-1燃料電池極化曲線圖 18
Figure 2.6-1導電高分子結構 19
Figure 2.6-2導電高分子作為金屬載體的比例 20
Figure 2.7-1聚苯胺四種氧化型態(a)Lecoemeraldine、(b)Emeraldine Base、(c)Emeraldine Salt、(d)Pernigraniline 21
Figure 2.7-2 EB態聚苯胺與ES態聚苯胺示意圖 22
Figure 2.7-3 ES態的聚苯胺陽離子自由基共振 22
Figure 2.7.1-1電解苯胺硫酸鹽水溶液的示意圖 23
Figure 2.7.1.2-1苯胺/鹽酸利用過硫酸銨(APS)氧化聚合成摻雜型聚苯胺(Emeraldine Salt, ES)的示意圖 24
Figure 2.8-1二茂鐵夾心結構Figure 2.8-2二茂鐵夾心結構 25
Figure 2.10-1乙二胺螯合物 Figure 2.10-2螯合後的示意圖 27
Figure 3.3.2-1觸媒製備流程圖 35
Figure 4.1-1不同鍛燒溫度下PANi-Fe-C觸媒在0.5M H2SO4中掃描速率:50 mV/s、轉速:1600rpm、O2之ORR極化曲線圖 38
Figure 4.1-2為PANi-Fe-C-900觸媒在0.5M H2SO4中掃描速率:10 mV/s、不同轉速、O2之ORR極化曲線圖 38
Figure 4.2-1 PANi-Fe-C-700觸媒在之N1s XPS束縛能分析 40
Figure 4.2-2 PANi-Fe-C-800觸媒在之N1s XPS束縛能分析 41
Figure 4.2-3 PANi-Fe-C-900觸媒在之N1s XPS束縛能分析 41
Figure 4.2-4 PANi-Fe-C-950觸媒在之N1s XPS束縛能分析 42
Figure 4.2-5 不同鍛燒溫度下所製備觸媒在之不同型態氮含量 43
Figure 4.3-1 酸洗前PANi-Fe-C觸媒在不同鍛燒溫度下之XRD圖 44
Figure 4.3-2 酸洗後PANi-Fe-C觸媒在不同鍛燒溫度下之XRD圖 44
Figure 4.4-1 PANi-Fe-C觸媒在不同鍛燒溫度下之拉曼光譜圖 45
Figure 4.6-1 PANi-Fe-C觸媒在不同鍛燒溫度(a)700°C (b) 800°C(c) 900°C(d) 950°C下TEM型態分析 48

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