臺灣博碩士論文加值系統

燃料電池的性能、價格、持久性決定其是否商售的可行性；而在燃料電池的陰極掌控著整個燃料電池的反應效率。目前陰極的觸媒大多使用白金(Pt)，但白金的價格影響著燃料電池可否商售的原因之一。由於奈米碳材摻氮為非金屬材料，且擁有不錯的催化特性所以近幾年受到廣泛的研究。本篇選用奈米碳材為多壁奈米碳管、石墨烯奈米帶。且利用微波有助於奈米碳材化學反應的特性，將其用於將氮摻雜於碳材中的輔助工具。之後便比較電化學測試和X射線電子能譜分析材料的氮含量和氮結構對氧還原反應的影響作一探討。

Oxygen reduction reactions are essential in the cathode side of a fuel cell. Most of the cathode catalysts used today are based on pricy Pt in the form of nanoparticles dispersed on carbon black supports. Non-precious metal and metal-free catalysts have attracted lots of attention in order to achieve the large-scale commercialization of fuel cells. In this work, we prepare N-doped nanocarbon materials including multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and graphene oxide nanoribbons (GONRs) with the help of microwave energy. The N-doped nanocarbon materials under different reaction conditions are analyzed to determine their N concentrations and bonding configurations. Furthermore, the oxygen reduction reactions are studied by electrochemical measurements.

目錄
指導教授推薦書……………………………………………………I
論文口試委員審定書……………………………………………………II
授權書…………………………………………………………………III
致謝……………………………………………………………………IV
中文摘要……………………………………………………………………… V
英文摘要………………………………………………………………………VI
目錄………………………………………………………………………………VII
圖目錄…………………………………………………………………IX
表目錄…………………………………………………………………………XI
第一章 緒論……………………………………………………………………………………1
1.1前言 ……………………………………………………………………1
1.2 燃料電池………………………………………………………1
1.2.1 燃料電池的種類及其工作原理…………………………2
第二章 文獻回顧與研究動機……………………………4
2.1 奈米碳材的發展歷史………………4
2.2 石墨烯奈米帶的製備………………5
2.3 氮摻雜碳材的製備………………………6
2.3 微波反應與機制………………6
2.4 氧還原反應的原理與測定方法………………………8
2.5 氮摻雜碳材應用於電催化反應……………………………10
2.5.1 氮摻雜碳材在酸性燃料電池氧還原探討……………………………………10
2.5.2 氮摻雜碳材在鹼性燃料電池氧還原探討……………………………10
2.5.3 氮摻雜碳材對於氧還原反應的探討………………………………………12
2.6 研究動機與目的………………………………………………18
第三章 實驗材料設備與方法………………………………………………19
3.1 藥品………………………………19
3.2 儀器與設備………………………………19
3.3 實驗方法與步驟………………………………20
3.3.1 石墨烯奈米帶的製備………………20
3.3.2 氮摻雜碳材的製備………………………21
3.3.3 導電墨水製備………………………21
3.3.4 電化學量測………………………………21
3.4 材料鑑定分析………………………………22
3.4.1 穿透式電子顯微鏡(TEM)試片製備………………………22
3.4.2 X射線光電子能譜儀(XPS)試片製備………………………23
3.5 電化學量測………………………………………………………23
3.5.1 循環伏安法(CV)………………………………………………23
3.5.2 線性掃描伏安法(LSV)………………………………………24
3.5.3 旋轉圓盤電極在電化學的應用………………………………24
第四章 實驗結果與討論………………………………………………………25
4.1 材料分析………………………………………………………………25
4.1.1 穿透式電子顯微鏡分析(TEM)………………………………25
4.1.2 X射線光電子能譜儀(XPS)………………………………………25
4.2 電化學系統………………………………………………………………27
4.2.1 氮摻雜石墨烯奈米帶的電容分析……………………………………27
4.2.2 鹼性系統下的氧還原分析 ……………………………………28
4.2.3 酸性系統下的氧還原分析 ……………………………………29
第五章 結論…………………………………………………………………………48
第六章 參考文獻……………………………………………………………49

圖目錄
圖 2.1 (a) 化學法 (b) 蝕刻法 (c) 鹼金屬法 (d) 催化法(e) 電流法………………………………………………………………………………16
圖 2.2 氮摻雜碳材可能產生結構示意圖…………………………………………16
圖 2.3 微波與其他的電磁波能譜……………………………………………………17
圖 2.4 氧還原可能的反應機構………………………………………………………17

圖 4.1 氮摻雜石墨烯奈米帶(NGONR)不同瓦數的TEM分析圖…………………34
圖 4.2比較MWCNT經過不同微波時間氮處理前後的XPS分析圖
(6 min, 6NMWNT; 30 min, 30NMWNT; 60 min, 60NMWNT)………………………35
圖 4.3 GONR和不同瓦數氮摻雜處理的NGONR(150NGONR, 200NGONR, 250NGONR, 300NGONR)的完整XPS分析圖譜……………………………………………………………………………………………………………………………………………………35
圖 4.4多壁奈米碳管在250W不同微波時間下(a)0 min, MWCNT (b) 6 min, 6NMWNT(c) 30 min, 30NMWNT(d) 60 min, 60NMWNT的氮摻雜奈米碳管(NMWNT)的C1s XPS分析圖譜……………………………………36
圖4.5 不同瓦數氮摻雜處理的NGONR(150NGONR, 200NGONR, 250NGONR, 300NGONR)的完整C1s XPS分析圖譜……………………………………………37
圖4.6在250 W的三種不同微波時間下氮摻雜奈米碳管(NMWNT)的N1s XPS分析圖譜……………………………………………………38
圖4.7 GONR與不同瓦數下微波6分鐘的氮摻雜石墨烯奈米帶(NGONR)的N1s XPS分析圖譜…………………………………………39
圖 4.8 在0.5 M H2SO4中的250NGONR電容分析(5 μl)…………………………40
圖 4.9 在0.5 M H2SO4中的250NGONR電容分析(40 μl)………………………40
圖4.10 多壁奈米碳管(MWNTs)跟不同微波時間氮摻雜奈米碳管(NMWNTs)的在0.1 M KOH中的循環伏安(CV)行為…………………41
圖 4.11 GONR和不同瓦數的NGONR在氧氣飽和(O2-Saturated)下的循環伏安(CV)行為……………………………………………………………………………41
圖 4.12 不同瓦數NGONR 的氧還原線性伏安測試………………………42
圖 4.13 不同碳材的氧還原線性伏安測試…………………………………42
圖 4.14 300NGONR 在不同轉速下的氧還原測試…………………………43
圖 4.15 Koutecky-Levich plots (300NGONR)………………………………………43
圖 4.16 氮摻雜石墨烯奈米帶(150 W)在通氮和通氧的酸性條件下循環伏安比較圖…………………………………………………………………………………44
圖 4.17 氮摻雜石墨烯奈米帶(200 W)在通氮和通氧的酸性條件下循環伏安比較圖…………………………………………………………………………………44
圖 4.18 氮摻雜石墨烯奈米帶(250 W)在通氮和通氧的酸性條件下循環伏安比較圖…………………………………………………………………………………45
圖 4.19 氮摻雜石墨烯奈米帶(300 W)在通氮和通氧的酸性條件下循環伏安比較圖…………………………………………………………………………………45
圖 4.20 GONR與不同微波瓦數的氮摻雜石墨烯奈米帶和氮摻雜多壁奈米碳管(300W)在酸性條件下的線性掃描伏安比較圖…………………………………………………………………………………46
圖 4.21 氮摻雜石墨烯奈米帶(250 W)在不同loading量的線性掃描伏安比較圖…………………………………………………………………………………………46
圖 4.22 不同微波瓦數的氮摻雜石墨烯奈米帶在不同轉速的酸性條件下的線性掃描伏安圖…………………………………………………………47

表目錄
表 1.1 燃料電池特性比較……………………………………………………………3

表 2.1 氮摻雜碳材於鹼液中的氧還原文獻比較……………………………………14
表 2.2 氮摻雜碳材於酸液中的氧還原文獻比較……………………………………15

表 4.1 微波輔助製備氮摻雜碳材之物性資料表……………………………………31
表 4.2 整理國際期刊關於氮摻雜碳材在鹼性中的氧還原反應……………32
表 4.3 整理國際期刊關於氮摻雜碳材在酸性中的氧還原反應……………33

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