以生物质为碳源制备氮掺杂碳纳米材料及其电化学性能研究
发布时间：2020-12-28 07:03
能源危机问题和化石燃料使用造成日益严重的环境污染,使得开发高效的能量储存与转换装置变得更加重要。碳材料是许多化学电源,如燃料电池、锂离子电池、超级电容器中常见的电极材料。目前,人们碳材料的制备方法很多,如气相沉积法、高温热裂解法、水热法等。制备原料有石油裂解过程中的加工产物和生物质等。大豆主要含有脂肪、蛋白质以及少量的糖类和微量的无机盐。食品工业中利用大豆提取食物油,其残余物（豆渣）含有丰富的蛋白质。本论文利用豆渣为前驱体,硝酸镍为金属源,通过凝胶-高温热解制备了嵌入式氮掺杂过渡金属碳材料,将其应用于燃料电池阴极氧还原。同时,将得到的嵌入式氮掺杂碳材料进行活化,得到了多孔材料,将其应用于超级电容器。主要结果如下:（1）利用凝胶法,即中国传统制作豆腐点卤的工艺,以豆渣为前驱体,硝酸镍为凝固剂,将纳米粒子稳定地固定在材料当中,制备了嵌入式氮掺杂过渡金属碳纳米材料,将其应用于燃料电池阴极氧还原,并探究碳化温度对其催化性能的影响。900℃碳化得到的催化剂对氧还原的起始电位为0.86 V（vs RHE）,半波电位0.72 V（vs RHE）。在氮气饱和的电解液中进行1000圈CV扫描,通过计算,...
【文章来源】：南京师范大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
硝酸镍浸溃物的木质生物质的xitD和TEM图
已证明，虽然更低的ＫＯＨ用量可产生更低的活化程度，但有利于形成微??孔［２３］。另一方面，高剂量的ＫＯＨ可提高孔隙率、表面积和孔体积ｔ２４］。例如，利用头??发丝（图１．２），利用ＫＯＨ活化，可以生成表面积为６６９？１３０６?ｍＬｇ４的微孔碳，２．０５？３．１３??ｎｍ大小的均勾孔径和０．３８？０．９０?ｃｍ３＿ｇ＿１的孔隙体积［２５］〇合成的材料用于高性能超级??电容器电极的制备，在电流密度为ｌＡ＿ｇ４下的６ＭＫＯＨ溶液中，表现出极大的电荷??存储容量（３４０?和超过２０００个周期的良好稳定性。在有机电解质（１?Ｍ?ＬｉＰＦ６于碳??酸乙烯酯／碳酸二乙酷）中，在电流密度为ｌＡ＿ｇＨ时比电容达到１２６ＦＳ—１。优良的超级??电容器性能可以归因于微／介孔的结构，较高的有效表面积和杂原子掺杂的影响。??１．２．３生物质碳材料主要应用??众所周知，金属纳米颗粒催化剂的性能很大程度上受到负载材料的影响［２６］。生物??质碳材料由于其高表面积和丰富的表面基团，可直接作为不同金属纳米颗粒的载体来??研宄。Ｊｏｈｎｓｏｎ等人［２７］报道了源于纤维素的碳载铂纳米颗粒催化剂的合成并将其应用??于氧还原反应中。上述方法合成的销纳米颗粒材料含有金属核心，粒径分布均匀。氧??还原反应的循环伏安曲线表明，上述合成的材料较最先进的ＪｏｈｓｏｎＭａｔｔｈｅｙＰｔ／Ｃ催??化剂
的生物碳载的钌纳米颗粒可以用作一氧化碳和二氧化碳催化加氢生成甲烷的催化剂。??金属纳米粒子也可以原位加载到生物碳上。最近，科学家们巧妙地开发了一种镍??／生物碳催化剂，其通过事先预附载在稻壳生物上，而后以热解的方法合成（图１．４）［３Ｑ］。??这种方法合成的催化剂具有高度分散的镍纳米粒子。这种原位合成的催化剂表现出了??对焦油的催化转换的良好性能，通过与生物质共裂解，转换效率可以达到９６．５％。更??重要的是，每次催化过程后，失效的生物碳／镍纳米粒子催化剂可以很容易地通过热??处理再生。在热解气化过程中，生物碳扮演了多种角色：第一，它可以作为一种还原??媒介，将镍氧化物转换为镍纳米粒子，从而提高催化性能；第二，生物碳本身具有催??化作用和吸附焦油的功能，从而加快焦油裂解的进程。??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米导电聚合物超级电容器研究进展[J]. 张海涛,向翠丽,邹勇进,褚海亮,孙立贤,徐芬. 传感器与微系统. 2016(08)
[2]质子交换膜燃料电池应用现状及分析[J]. 王洪建,程健,张瑞云,王鹏杰,任永强,许世森. 热力发电. 2016(03)
[3]生物质能源的利用与研究进展[J]. 王新楠,王冠. 山东工业技术. 2015(14)
[4]能源发展战略行动计划（2014-2020年）（摘录）[J]. 上海节能. 2014(12)
[5]过渡金属/氮掺杂石墨催化剂的制备及电催化氧还原[J]. 张蓉,柳璐,马飞,张晶,王文洋,李瑞丰. 分子催化. 2014(06)
[6]活性炭表面官能团的氧化改性及其吸附机理的研究[J]. 杨颖,李磊,孙振亚,杜露. 科学技术与工程. 2012(24)
[7]食用脱脂大豆蛋白粉的生产及质量控制[J]. 魏贞伟,王俊国,王世让,王瑾,于殿宇. 粮油加工. 2009(09)
[8]不同Pt粒径的Pt/C的氧还原活性和稳定性[J]. 周志敏,邵志刚,衣宝廉. 电池. 2009(04)
[9]超级电容器研究及其应用[J]. 朱磊,吴伯荣,陈晖,刘明义,简旭宇,李志强. 稀有金属. 2003(03)
硕士论文
[1]生物质碳材料的制备及其性能研究[D]. 张长存.山东建筑大学 2016
[2]浓浆豆腐制备工艺及其物性的研究[D]. 周淑红.天津科技大学 2013
[3]纳米碳基过渡金属酞菁催化剂的氧还原特性及机理研究[D]. 丁蕾.东华大学 2013
[4]碳电极材料的制备及其电容性能研究[D]. 刘洋.吉林大学 2011
本文编号：2943337
【文章来源】：南京师范大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
硝酸镍浸溃物的木质生物质的xitD和TEM图
已证明，虽然更低的ＫＯＨ用量可产生更低的活化程度，但有利于形成微??孔［２３］。另一方面，高剂量的ＫＯＨ可提高孔隙率、表面积和孔体积ｔ２４］。例如，利用头??发丝（图１．２），利用ＫＯＨ活化，可以生成表面积为６６９？１３０６?ｍＬｇ４的微孔碳，２．０５？３．１３??ｎｍ大小的均勾孔径和０．３８？０．９０?ｃｍ３＿ｇ＿１的孔隙体积［２５］〇合成的材料用于高性能超级??电容器电极的制备，在电流密度为ｌＡ＿ｇ４下的６ＭＫＯＨ溶液中，表现出极大的电荷??存储容量（３４０?和超过２０００个周期的良好稳定性。在有机电解质（１?Ｍ?ＬｉＰＦ６于碳??酸乙烯酯／碳酸二乙酷）中，在电流密度为ｌＡ＿ｇＨ时比电容达到１２６ＦＳ—１。优良的超级??电容器性能可以归因于微／介孔的结构，较高的有效表面积和杂原子掺杂的影响。??１．２．３生物质碳材料主要应用??众所周知，金属纳米颗粒催化剂的性能很大程度上受到负载材料的影响［２６］。生物??质碳材料由于其高表面积和丰富的表面基团，可直接作为不同金属纳米颗粒的载体来??研宄。Ｊｏｈｎｓｏｎ等人［２７］报道了源于纤维素的碳载铂纳米颗粒催化剂的合成并将其应用??于氧还原反应中。上述方法合成的销纳米颗粒材料含有金属核心，粒径分布均匀。氧??还原反应的循环伏安曲线表明，上述合成的材料较最先进的ＪｏｈｓｏｎＭａｔｔｈｅｙＰｔ／Ｃ催??化剂
的生物碳载的钌纳米颗粒可以用作一氧化碳和二氧化碳催化加氢生成甲烷的催化剂。??金属纳米粒子也可以原位加载到生物碳上。最近，科学家们巧妙地开发了一种镍??／生物碳催化剂，其通过事先预附载在稻壳生物上，而后以热解的方法合成（图１．４）［３Ｑ］。??这种方法合成的催化剂具有高度分散的镍纳米粒子。这种原位合成的催化剂表现出了??对焦油的催化转换的良好性能，通过与生物质共裂解，转换效率可以达到９６．５％。更??重要的是，每次催化过程后，失效的生物碳／镍纳米粒子催化剂可以很容易地通过热??处理再生。在热解气化过程中，生物碳扮演了多种角色：第一，它可以作为一种还原??媒介，将镍氧化物转换为镍纳米粒子，从而提高催化性能；第二，生物碳本身具有催??化作用和吸附焦油的功能，从而加快焦油裂解的进程。??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米导电聚合物超级电容器研究进展[J]. 张海涛,向翠丽,邹勇进,褚海亮,孙立贤,徐芬. 传感器与微系统. 2016(08)
[2]质子交换膜燃料电池应用现状及分析[J]. 王洪建,程健,张瑞云,王鹏杰,任永强,许世森. 热力发电. 2016(03)
[3]生物质能源的利用与研究进展[J]. 王新楠,王冠. 山东工业技术. 2015(14)
[4]能源发展战略行动计划（2014-2020年）（摘录）[J]. 上海节能. 2014(12)
[5]过渡金属/氮掺杂石墨催化剂的制备及电催化氧还原[J]. 张蓉,柳璐,马飞,张晶,王文洋,李瑞丰. 分子催化. 2014(06)
[6]活性炭表面官能团的氧化改性及其吸附机理的研究[J]. 杨颖,李磊,孙振亚,杜露. 科学技术与工程. 2012(24)
[7]食用脱脂大豆蛋白粉的生产及质量控制[J]. 魏贞伟,王俊国,王世让,王瑾,于殿宇. 粮油加工. 2009(09)
[8]不同Pt粒径的Pt/C的氧还原活性和稳定性[J]. 周志敏,邵志刚,衣宝廉. 电池. 2009(04)
[9]超级电容器研究及其应用[J]. 朱磊,吴伯荣,陈晖,刘明义,简旭宇,李志强. 稀有金属. 2003(03)
硕士论文
[1]生物质碳材料的制备及其性能研究[D]. 张长存.山东建筑大学 2016
[2]浓浆豆腐制备工艺及其物性的研究[D]. 周淑红.天津科技大学 2013
[3]纳米碳基过渡金属酞菁催化剂的氧还原特性及机理研究[D]. 丁蕾.东华大学 2013
[4]碳电极材料的制备及其电容性能研究[D]. 刘洋.吉林大学 2011
本文编号：2943337
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2943337.html
