生物质碳基复合材料的制备及其催化氧还原反应性能研究

发布时间：2020-10-13 17:33

　　 生物质是一种来源广泛、价格低廉、可再生的自然资源。由于生物质具有丰富的碳含量和独特的微观结构,近年来开发和利用生物质制备生物质碳基复合材料受到了越来越多的关注。将生物质碳基复合材料应用于能源、环境和催化等领域可以使生物质资源得到有效的利用。更加重要的是将生物质制备成生物质碳基复合材料可以提高生物质自身的经济价值。本文以葡萄糖、淀粉和壳聚糖等为原料,成功制备了一系列的生物质碳基纳米复合材料,并研究了它们电催化氧还原反应的性能。相关研究内容如下:(1)氮掺杂碳负载缺陷ZnS复合材料的制备及催化氧还原反应性能研究。以生物质葡萄糖为原料,采用一步碳浴法在900~oC高温处理制备了氮掺杂碳负载Zn空位ZnS复合材料(ZnS/N-C-900)。测试结果表明,制备的复合材料ZnS/N-C-900不仅含有Zn空位,同时其比表面积到达1056.2 m~2/g。电化学测试结果表明,在0.1M KOH电解液中,以铂丝作为参比电极时,ZnS/N-C-900电极的起始点位(E_0)为0.95 V_(RHE),明显高于Pt/C的起始点位(0.92 V_(RHE));当石墨电极作为参比电极时,ZnS/N-C-900电极的起始点位同样为0.95 V_(RHE),也明显高于Pt/C的起始点位(0.92 V_(RHE)),因此,无论是铂丝还是石墨作为参比电极时,ZnS/N-C-900在0.1M KOH溶液中都具有良好的ORR催化活性。密度泛函理论(DFT)计算的结果表明,Zn空位作为复合材料ZnS/N-C-900的活性位点,在催化ORR过程中,其速控步反应(*OO→*OOH)仅需要0.92 eV。因此,在碱性介质中,Zn空位作为活性位点使得所制备的复合材料ZnS/N-C-900具有优异的ORR催化活性,稳定性和抗甲醇性。(2)氮掺杂碳负载Co-CoO_x复合材料的制备及其催化氧还原反应性能研究。以可溶性淀粉为原料,采用沙浴法制备了氮掺杂碳负载部分氧化Co-CoO的复合材料Co-CoO_x/N-C(SBM)。在碱性电解液中,测试电化学性能结果表明,与传统的高温热解法制备的Co-CoO/N-C(CHT)的半波电位(E_(1/2)=0.82 V vs.RHE)相比,沙浴法制备的Co-CoO_x/N-C(SBM)表现出更加优异的半波电位(E_(1/2)=0.85 V vs.RHE)。此外,与Pt/C相比,Co-CoO_x/N-C(SBM)除了具有高催化活性,同时还具有优异的稳定性和耐甲醇性。(3)铜氮掺杂碳负载铜复合材料的制备及其催化氧还原反应性能研究。以壳聚糖为原料,通过一步简单的碳浴法制备了铜氮掺杂碳负载铜复合材料Cu/Cu-N-C。结果表明,Cu/Cu-N-C具有高的比表面积(S_(BET)=607.3 m~2/g)。与商业20 wt%Pt/C的起始电位(E_0=0.92 V_(RHE))相比,Cu/Cu-N-C在电催化ORR过程中显示出的起始电位(E_0)为0.96 V_(RHE),说明Cu/Cu-N-C具有较好的ORR催化活性。同时,Cu/Cu-N-C还表现出良好的稳定性和抗甲醇性。(4)锌氮掺杂碳包覆ZnO纳米颗粒复合材料的制备及其催化氧还原反应性能研究。利用壳聚糖为前驱体,采用简单的一步碳浴热解法制备了锌氮掺杂碳原位包覆ZnO纳米颗粒的复合材料(ZnO@Zn-N-C),并且没有进行任何处理。结果表明,在ORR的电催化试验中,由于Zn-N的存在,ZnO@Zn-N-C电极的起始电位为0.93 V_(RHE),明显高于商业Pt/C(E_0=0.92 V_(RHE)),说明制备的复合材料ZnO@Zn-N-C具有很好的ORR催化活性。
【学位单位】：石河子大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33;O643.36
【部分图文】：

S-ELAC-x 的合成方法示意图。ig. 1-1 Schematic illustration of synthesis process employed for AKPC-750 and its applicatfor supercapacitor.[39]Chen 等人[40]成功制备了源自榆花 (EL) 生物质的 N，S 掺杂活性炭样品于 EL 含有大量的自掺氮和硫，可以通过简便，成本低且有效的水热反应利OH活化制备出EL衍生的N，S掺杂活性炭，如图1-2所示。除Brunauer-Emmeller (BET) 表面积为 2048.6 m2/g 和中等孔体积 0.88 cm3/g 外，EL 衍生的活 (ELAC) 中 N 和 S 含量分别为 2.21%和 6.06%。图 1-2 N,S-ELAC-x 的合成方法示意图。Fig. 1-2 Schematic illustration of synthesis process employed for N,S-ELAC-x.[40]

S-ELAC-x 的合成方法示意图。g. 1-1 Schematic illustration of synthesis process employed for AKPC-750 and its applicafor supercapacitor.[39]Chen 等人[40]成功制备了源自榆花 (EL) 生物质的 N，S 掺杂活性炭样品于 EL 含有大量的自掺氮和硫，可以通过简便，成本低且有效的水热反应利H活化制备出EL衍生的N，S掺杂活性炭，如图1-2所示。除Brunauer-Emmller (BET) 表面积为 2048.6 m2/g 和中等孔体积 0.88 cm3/g 外，EL 衍生的活 (ELAC) 中 N 和 S 含量分别为 2.21%和 6.06%。

化学活化具有几个优点，包括单步活化，低活化温度高的产率和更好的多孔结构。物质石墨烯烯，作为只有一个 C 原子厚度的 sp2杂化碳原子层二维材料，发现以来，已经获得了人们极大的兴趣和吸引力，这主要是由的特性 (如大的比表面积，良好的导电性和优异的导热性)。有大量的石墨烯片，通常被用作原料利用物理或化学的方法剥烯，但是采用石墨制备石墨烯存在一些缺点：如成本高，危险杂等。利用廉价的生物质制备石墨烯不仅可以提升生物质的附生物质石墨烯主要包括高温石墨化法，金属催化法，牺牲模板石墨化法
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本文编号：2839472