碳基过渡金属化合物复合材料的制备及其电化学研究
发布时间：2020-05-12 07:27
【摘要】：随着能源危机与环境污染问题的日益严重,开发利用清洁、廉价、高效的能源存储与转换装置显得尤为关键。碳基材料因其具备优异的导电性、低廉的成本、良好的结构稳定性、对环境友好等优势,在燃料电池、金属空气电池、锂离子电池、超级电容器中得到广泛的研究和应用。析氧反应,不仅作为电解水反应的一类重要的阳极反应,同时在金属空气电池及可再生的燃料电池中发挥关键作用,得到广泛的研究。其反应中涉及四电子转移过程及缓慢的动力学速率,使其具有较差的反应活性,较大的限制了其进一步发展。目前,商业化析氧催化剂依赖于贵金属及其相应的氧化物材料(Ir,Ru,Ir02和Ru02),然而其较低的储量,高昂的成本及较差的稳定性限制了其实际大规模使用。因此,开发新型的廉价、高效的碳基非贵金属析氧催化剂十分关键。作为储能方式的一种,锂离子电池具有能量密度高、工作电压小、安全可靠、环境友好等特点,已成为最具前景的储能装置。但是目前商业化锂离子电池负极材料为石墨化的碳材料,但其较差的倍率性能及较低的理论比容量(372 mAhg-1),难以满足高能量和功率设备发展的需要,因此开发新型的高容量负极材料具有重要的意义。本论文围绕碳基过渡金属材料,利用静电纺丝技术及惰性盐模板法两种策略,制备了不同的碳基过渡金属化合物复合材料,将其作为析氧反应电催化剂及锂离子电池负极电极材料,分别显示出高效的催化活性及较高的比容量和循环稳定性。同时,鉴于该合成方法简单有效,可实际推广至其他碳基过渡金属材料的宏量可控制备,并研究其在能源存储与转换中的应用。本论文主要研究工作如下:(1)设计并发展了一种实现将过渡金属氧化物与碳纳米纤维有效复合的策略。通过静电纺丝技术,一步同时制备CoFe_2O_4纳米粒子均匀的嵌入在一维的氮掺杂的碳纳米纤维材料(记作CoFe_2O_4@N-CNFs)。通过将具有催化活性的CoFe_2O_4纳米粒子与氮掺杂的碳纳米纤维复合,制备得到的CoFe_2O_4@N-CNFs纳米复合材料表现出优异的析氧性能,其具有较小的过电势,较大的电流密度,较小的Tafel斜率,以及在碱性介质中的长期运行的稳定性,优于其对应的单组份材料(单独的CoFe_2O_4及氮掺杂的碳纳米纤维)和商业化的Ru02催化剂。值得一提的是,CoFe_2O_4@N-CNFs在电流密度为30.0 mA cm-2的过电势与商业化RuO2催化剂相比,降低了 186mV,在1.8V时的电流密度是商业化RuO2的3.4倍。该工作为探索廉价、高效的析氧电催化剂为替代贵金属材料,及在各类可持续能源转换与存储领域的应用,开辟新的路径。(2)设计了一种通过惰性盐(KCl)模板法制备的二维碳片的方法,制备了多孔碳纳米片负载MoS0.5Se1.5粒子的复合材料。利用生物质果糖(C6H12O6)作为碳源,钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O),亚硒酸钠(Na2SeO3),硫代乙酰胺(C2H5NS)分别作为Mo,Se和S源,KC1作为模板剂和分散剂,通过机械研磨混合和高温锻烧处理的方法得到MoS0.5Se1.5均一分散于超薄的二维碳纳米片材料(记为MoS0.5Se1.5/C)。作为锂离子电池负极材料,与不含S的MoSe2/C材料相比,MoS0.5Se1.5/C表现出更为优异的循环性能和倍率性能,特别是在100mAg-1的电流密度下,循环200圈之后仍保持着494.8 mA h g-1的容量,这远高于MoSe2/C材料(173.5 mAh g-1)。MoS0.5Se1.5/C优异的储锂性能归因于结合了 MoS0.5Se1.5相与多孔碳纳米片之间的协同效应,多孔碳纳米片可作为有效的导电基质,以及在充放电过程中为锂离子及电子的转移,活性物质MoS0.5Se1.5的体积膨胀提供缓冲空间。(3)开发了一种利用惰性盐(NaCl)模板法制备的二维碳片的方法,制备了多孔氮掺杂的碳纳米片负载Co2P粒子。其中以甘氨酸(C2H5NO2)作为碳氮源,乙二胺四亚甲基磷酸(EDTMP)为磷源,通过以NaCl作为硬模板和分散剂,制备了一种Co2P粒子修饰的多孔的氮掺杂碳纳米片(Co2P-N-C),在碱性介质中,与其他样品相比(Co-N-C、Co2P、N-C、C),对析氧反应表现出优异的电催化活性、较低的过电位及良好的稳定性。二维碳纳米片的结构优势及氮原子的掺杂有效地改变了碳材料的电子状态,均有利于Co2P-N-C在析氧反应中表现出优良的催化性能和稳定性。该材料的制备为宏量制备非贵金属磷化物开辟了新的途径,并且在能源存储与转换领域具有广阔的应用前景。
【图文】：
经济社会的快速发展，能源短缺问题日益突出，据预计，在２０５０能源消耗量的两倍。传统化石能源，如煤，石油，天然气的快速消日益匮乏，不仅对经济社会的发展产生重大的制约，影响国家的安的使用，带来严重的环境污染等问题。因此，开发利用可再生的新会可持续发展的关键。纳米技术，尤其是以制备新材料，在村料科了新的前沿方向，，以应对能源领域的挑战。其中，碳纳米材料可有与存储领域的应用材料，与传统的能源材料相比，碳纳米材料具有的构效关系（如：形貌，电学，光学，磁学等）可有效的提升在能的性能。在过去的大致２５年左右，大量的研[傊铝τ诳⒕哂卸懒希ǜ焕障寄擅坠埽褪┑取Ｗ魑茉床牧希罅康脑醋蛔爸茫ㄈ纾禾裟艿绯兀剂系绯兀缃馑爸玫龋┖湍茉蠢胱拥绯兀兜缛萜鞯龋┑靡允迪帧Ｒ虼耍票感滦偷奶蓟擅谆挥氪娲⒘煊虻靡杂τ茫哂惺种匾囊庖濉ｅ义夏擅撞牧系姆掷噱义
本文编号：2659871
【图文】：
经济社会的快速发展，能源短缺问题日益突出，据预计，在２０５０能源消耗量的两倍。传统化石能源，如煤，石油，天然气的快速消日益匮乏，不仅对经济社会的发展产生重大的制约，影响国家的安的使用，带来严重的环境污染等问题。因此，开发利用可再生的新会可持续发展的关键。纳米技术，尤其是以制备新材料，在村料科了新的前沿方向，，以应对能源领域的挑战。其中，碳纳米材料可有与存储领域的应用材料，与传统的能源材料相比，碳纳米材料具有的构效关系（如：形貌，电学，光学，磁学等）可有效的提升在能的性能。在过去的大致２５年左右，大量的研[傊铝τ诳⒕哂卸懒希ǜ焕障寄擅坠埽褪┑取Ｗ魑茉床牧希罅康脑醋蛔爸茫ㄈ纾禾裟艿绯兀剂系绯兀缃馑爸玫龋┖湍茉蠢胱拥绯兀兜缛萜鞯龋┑靡允迪帧Ｒ虼耍票感滦偷奶蓟擅谆挥氪娲⒘煊虻靡杂τ茫哂惺种匾囊庖濉ｅ义夏擅撞牧系姆掷噱义
本文编号：2659871
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2659871.html
