含铁或不含铁N-掺杂介孔碳电催化剂的制备及在NO-H2化学电联产中的机制研究

基本信息
批准号:21607037
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:20.00
负责人:盛夏
学科分类:
依托单位:河南工业大学
批准年份:2016
结题年份:2019
起止时间:2017-01-01 - 2019-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:陈静,Ivo Vankelecom,王刚,余林达,郭亚军
关键词:
化学热电联产非贵金属电催化剂燃料电池催化剂氮掺杂介孔碳材料羟胺
结项摘要

In the chemical industry, many relevant products are prepared through thermodynamically favorable reactions and the produced energy is generally dissipated in the form of heat. If the same reactions are performed in a fuel cell configuration, this energy could be employed favorably to generate electricity together with the desired chemical products, thus significantly improving the sustainability and the economics of the electrochemical process. In this project, with or without Iron-containing N-doped mesopoures carbon materials will be investigated as electrocatalysts for the cogeneration of hydroxylamine (NH2OH) and electricity in a NO-H2 fuel cell. This electrochemical route for the production of NH2OH is a greener alternative to the present industrial synthesis, because it allows converting the released energy during the reaction into electricity. By using TEM, XPS, SAXS and other methods to characterize the structures of these catalysts, accompanying with the electrochemical study, to study of the influences of the related factors of electrocatalyst on the electric reduction process of NO, and the ultimately purpose is that elucidate the active sites of these types of electrocatalysts. On the basis of analyzing the atomic content and configuration of N, the 2D ordered or 3D foam-like mesoporous structure, and the pore size. The structures of the intermediates and products will be calculated by using DFT. To understand and describe the electron delocalization, covalent and noncovalent molecular interactions, both NBO and AIM analysis will be carried out on the optimized structures, respectively. Basing the experimental and theoretical results, the NO reducing path way will be derived. Finally, this project would theoretically support the promotion of chemical and energy cogeneration technology.

目前许多化学品是通过热力学自发反应的途径获得,反应中放出大量的热能而无法有效利用;理论上燃料电池可将化学能100%直接转换为电能,但是副产物几无利用价值。本项目的设想是化学物质和能源热电联产,将燃料电池与化学品进行串联,在生成有价值的化学品的同时产生电能。在前期研究基础上,本项目计划建立NO-H2燃料电池联产羟胺的反应系统。重点是制备N-掺杂介孔碳材料,以其做为电催化剂或制备含Fe催化剂用于化学电联产燃料电池的研究。利用TEM、XPS、SAXS等方法表征催化剂微观结构,研究相关因素对NO电还原过程的影响,阐明电催化活性点。在分析N原子含量及构型的基础上,拓展其2D有序和3D网状孔道结构,通过控制孔径大小等方法增加其有效性。使用DFT计算产物的结构,利用AIM、NBO等理论等对电荷转移等进行全面分析。结合实验结果推导出NO生成羟胺的反应历程。为化学物质和能源热电联产技术的推广应提供理论基础。

项目摘要

随着世界化石能源的日益匮乏和人类对能源需求的不断增加,人类不得不努力寻找可再生的绿色能源。同时环境的污染的治理也成为现阶段必须面对的课题。燃料电池作为一种新型绿色能源具有高效、易启动、污染小等优势,有希望大量提高电力产能的技术性飞跃。常规的燃料电池多为氢/氧或乙醇/氧反应,其最终产物为工业利用价值较小水和二氧化碳。本项目研究目的为化学物质和能源热电联产—将氧化还原反应生产出的工业化学品通过燃料电池装置完成,以达到在转化燃料为重要化学物质的同时产生能源发电的目的。同时扩展出不同大气中小分子气体在纳米材料表面的吸附模拟,因为催化剂表面吸附为所有催化反应的第一步,从而进一步研究可能的清洁催化反应。现今,在原材料和常规能源严重短缺的情况下,使用燃料电池的电化学合成方式生产有用的化学产物是一个前景广阔的研究课题。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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