高含氮量孔洞碳材的製備及其在燃料電池電極材料之應用

陳佳婷

指導教授 ： 劉尚斌 ； 何嘉仁

國立臺灣師範大學/理學院/化學系/碩士(2010年)

摘要

由於能源短缺危機迫在眉睫及日趨嚴重的大氣環境污染等問題，因而相關綠色能源的議題逐漸地被重視，其中，燃料電池、太陽能、氫能源、核能、風力等相關研究與發展均是近幾年來國際間產學業界積極尋求替代性能源及創新開發之重點方針。許多既有文獻指出，含氮的碳材料有利於擔載金屬觸媒的分散性以及電化學特性，然而，大多數的合成方法均繁複且耗時。故本研究之主要目的在於將含氮量極高(66.6%)的三聚氰胺(melamine; C3H6N6)為碳源前驅物，以一步合成的方式製備高含氮量之孔洞碳矽化合物，並將其應用於直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell; DMFC)之陰極及陽極材料。爾後，並進行各項相關催化效能之測試。
在材料合成方面，首先合成三聚氰胺甲醛樹脂低聚物(melamine formaldehyde resin oligomer)做為主要碳源，再以P123三區聚塊共聚物介面活性劑(triblock copolymer surfactant)做為軟模版，及以水玻璃(sodium silicate)做為硬模板，利用共凝聚法(co-condensation)方式合成碳矽複合物，並且藉由碳矽比之增加、延長水熱時間以及更換熱源(微波)來改變合成條件，以求提高碳源負載量及結構穩定性。在合成出碳矽複合物後，接著利用不同溫度(600、700、800及900 ℃)碳化，再以氫氟酸溶液移除氧化矽模版，經清洗、過濾及乾燥後，得到不同條件下合成之孔洞性碳材料。隨後，吾人並透過不同光譜及分析實驗技術，如粉末X光繞射、氮氣等溫吸/脫附、元素分析、穿透式電子顯微鏡、熱重分析儀、X光光電子光譜、拉曼光譜等，對各樣品進行物化特性鑑定。最後將各含氮碳材，在無負載金屬觸媒條件下，直接做為電極材料，以線性掃描伏安法量測其對氧氣還原反應(oxygen reduction reaction; ORR)之催化效能。另外，分別以氯鉑酸(H2PtCl6．H2O)為金屬觸媒來源，含氮碳材作為担體，利用化學還原法將金屬鉑還原，合成出負載鉑金屬之孔洞碳材，並利用此含金屬觸媒之碳材做為陽極材料，藉由循環伏安法量測其於甲醇氧化反應(methanol oxidation reaction; MOR)之催化效能。
由本實驗研究之結果發現，利用三聚氰胺為碳源之含氮碳材做陰極氧氣還原效能測試，其起始電位最高為-0.06 V，電流密度為11.38 mA/cm2，且在氧氣還原反應中之電子傳遞數為4，說明氧氣在還原過程中直接轉變成水，另外導電度、碳化程度、含氮量、及氮的鍵結型式均會影響含氮碳材之效能。將含氮碳材負載20 wt% Pt後做陽極甲醇氧化效能測試，可得知含氮碳材有助於鉑金屬奈米粒子的分散性及觸媒電化學特性，且經由結構完整性的改善可有效降低一氧化碳毒化並抑制觸媒失活等問題。

關鍵字

含氮碳材 ； 燃料電池 ； 氧氣還原

參考文獻

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