氮掺杂碳基纳米复合材料的制备及其催化性能研究
发布时间：2021-06-21 19:28
氮（N）掺杂碳纳米材料由于N的掺杂改变碳材料的结构,表现出优异的催化性能,成为当前催化材料应用的焦点。本论文选取氮掺杂碳球（HNCSs）为载体,通过引入贵金属合金（PtPd）和金属氧化物-非贵金属合金（CeO2/CuCo）,分别获得PtPd/HNCSs和HNCSs@CeO2/CuCo纳米复合催化剂;采用TEM、XRD、XPS等技术手段,对纳米复合材料的形貌、结构和组成进行表征;考察其在多元醇的电催化氧化以及氨硼烷析氢及其串联还原对硝基苯酚（4-NP）的催化活性及稳定性,为燃料电池的开发和环境中污染物的处理做出探索。主要内容有:第一部分:高活性PtPd/HNCSs纳米催化剂在电催化多元醇氧化的应用研究高活性和持久性电催化剂的开发和利用,对于直接醇燃料电池的商业化应用至关重要。本文采用聚多巴胺辅助方法制备中空HNCSs,以此为载体负载花状的PtPd纳米粒子,再考察其在多元醇电化学氧化的催化性能,包括甲醇、乙醇和乙二醇电化学氧化（MOR,EOR和EGOR）。重点研究Pt/Pd摩尔比对这些电氧化反应的催化活性的影响。电化学测试发现,在这三种醇的电化学...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）碳基体中N原子的常见键构型;（b）金属-氮相互作用：空的金属d轨道（蓝色的负叶和红色的正叶）与载体的填充的π轨道（浅蓝色的负叶和紫色的正叶）之间
兰州大学硕士学位论文氮掺杂碳基纳米复合材料的制备及其催化性能的研究3氮掺杂碳材料中最常见的氮基是吡咯氮基，吡啶氮基和石墨氮基或季铵盐类氮基[18,24]，另外，在石墨烯层的边缘会产生更多的氧化氮和胺基（见图1.2）。吡咯氮基作为材料中五边形结构单元的重要组成部分与石墨烯层的两个碳原子键合；吡啶氮属于sp2杂化，因此它们的键包括与其共同形成六边形结构单元的两个碳原子，它们中的每个键为π共轭系统提供一个p电子，并能与不同的金属或其分子产生一种较强的结合能力[25]；吡咯基和吡啶基氮可以位于石墨层的边缘或层内的空位中；石墨化的氮基取代碳原子的位置，并与三个碳键合形成sp2杂化。图1.2纳米碳的石墨烯层中的常见氮基[18]这些不同构型的氮原子具有不同的电子态，因此通常可以通过X射线光电子能谱（XPS）N1s光谱的来确定它们对材料中总氮含量的相对贡献。其他技术，例如核磁共振（NMR）光谱或X射线吸收光谱（XAS）也已被用于确定材料中氮的构型[26-30]，氮形态的测定是很重要的，因为一个特定的氮基团可能赋予最终催化剂催化某种反应的特定性质。1.2.3应用前景金属纳米粒子的合成和使用是化学和材料科学中一个有趣的多学科主题。过去，“经典的”无机氧化物以及碳材料用作众多异质催化剂的载体。近年来，将N原子结合到母体载体的碳基质中已经成为非常活跃和有趣的研究领域。氮掺杂可能对催化材料产生有益的影响，尤其是在金属分散以及金属与载体之间的相互作用方面，从而在一定程度上改善了合成反应，包括与工业相关的一些转化。研究者还试图在氮物种的性质与相应催化剂的催化性能之间建立某种联系，如
兰州大学硕士学位论文氮掺杂碳基纳米复合材料的制备及其催化性能的研究5在电催化中会遇到类似的有关稳定性的问题，尽管掺氮碳材料（有或无金属）在电化学应用中取得了巨大进步[8]，然而，这些材料一个显着的缺点就是其活性在使用过程中会迅速下降，特别是在酸性条件下[38]。与光催化和电催化相似，在广泛的热氧化还原转化中，已观察到氮掺杂碳材料上负载的可重复利用得金属NPs的活性降低[39,40]。因此，未来的研究将会更加重视改善这些催化剂的稳定性，为了以更好更合理的方式设计此类材料，我们应积极探索，更加深入地理解催化过成中催化剂的失活机理。1.3氮掺杂碳材料的合成关于制备氮掺杂碳材料的路线，由于现存方法种类较多，因此难以建立很明确的分类。但是根据是否和氮源同时对碳前体进行热处理以得到掺氮碳材料，可以将它们分为两大类：后掺杂和原位掺杂的合成方法（图1.3）。图1.3合成含氮碳材料的方法概述1.3.1原位掺杂合成方法在原位掺杂合成中，氮掺杂和碳材料的合成同时发生。最常用的方法之一是化学气相沉积（CVD），因为它适合制备氮基在碳材料中分布良好的氮掺杂碳材料，例如石墨烯，CNT，CNF或微孔碳[41-46]。最近，Castro-Muiz等人报道了一种通过将含氮的离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑四氰基硼酸酯）渗透在Y型沸石中，然后通过CVD来制备具有高表面积的共掺杂微孔碳的新方法。这种方法制备的共掺杂的微孔碳中氮的主要存在形式是吡啶氮，少量的还观察到吡咯氮和石墨氮[45]。N-CNF也已通过将C2H4/NH3混合物进行化学气相沉积被成功合成，随着含N前体的增加，吡啶基的含量也逐渐升高[47]。含氮前体的碳化，在某些情况下是化学活化的过程，已被广泛用于获得氮掺杂的多孔碳的制备中。在种情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]庐枞矿集区科学钻探的岩性识别方法[J]. 邓呈祥,高文利,潘和平,孔广胜,方思南,林振洲. 物探与化探. 2015(06)
[2]Heterogeneous catalysis for green chemistry based on nanocrystals[J]. Yuxi Liu,Guofeng Zhao,Dingsheng Wang,Yadong Li. National Science Review. 2015(02)
本文编号：3241269
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）碳基体中N原子的常见键构型;（b）金属-氮相互作用：空的金属d轨道（蓝色的负叶和红色的正叶）与载体的填充的π轨道（浅蓝色的负叶和紫色的正叶）之间
兰州大学硕士学位论文氮掺杂碳基纳米复合材料的制备及其催化性能的研究3氮掺杂碳材料中最常见的氮基是吡咯氮基，吡啶氮基和石墨氮基或季铵盐类氮基[18,24]，另外，在石墨烯层的边缘会产生更多的氧化氮和胺基（见图1.2）。吡咯氮基作为材料中五边形结构单元的重要组成部分与石墨烯层的两个碳原子键合；吡啶氮属于sp2杂化，因此它们的键包括与其共同形成六边形结构单元的两个碳原子，它们中的每个键为π共轭系统提供一个p电子，并能与不同的金属或其分子产生一种较强的结合能力[25]；吡咯基和吡啶基氮可以位于石墨层的边缘或层内的空位中；石墨化的氮基取代碳原子的位置，并与三个碳键合形成sp2杂化。图1.2纳米碳的石墨烯层中的常见氮基[18]这些不同构型的氮原子具有不同的电子态，因此通常可以通过X射线光电子能谱（XPS）N1s光谱的来确定它们对材料中总氮含量的相对贡献。其他技术，例如核磁共振（NMR）光谱或X射线吸收光谱（XAS）也已被用于确定材料中氮的构型[26-30]，氮形态的测定是很重要的，因为一个特定的氮基团可能赋予最终催化剂催化某种反应的特定性质。1.2.3应用前景金属纳米粒子的合成和使用是化学和材料科学中一个有趣的多学科主题。过去，“经典的”无机氧化物以及碳材料用作众多异质催化剂的载体。近年来，将N原子结合到母体载体的碳基质中已经成为非常活跃和有趣的研究领域。氮掺杂可能对催化材料产生有益的影响，尤其是在金属分散以及金属与载体之间的相互作用方面，从而在一定程度上改善了合成反应，包括与工业相关的一些转化。研究者还试图在氮物种的性质与相应催化剂的催化性能之间建立某种联系，如
兰州大学硕士学位论文氮掺杂碳基纳米复合材料的制备及其催化性能的研究5在电催化中会遇到类似的有关稳定性的问题，尽管掺氮碳材料（有或无金属）在电化学应用中取得了巨大进步[8]，然而，这些材料一个显着的缺点就是其活性在使用过程中会迅速下降，特别是在酸性条件下[38]。与光催化和电催化相似，在广泛的热氧化还原转化中，已观察到氮掺杂碳材料上负载的可重复利用得金属NPs的活性降低[39,40]。因此，未来的研究将会更加重视改善这些催化剂的稳定性，为了以更好更合理的方式设计此类材料，我们应积极探索，更加深入地理解催化过成中催化剂的失活机理。1.3氮掺杂碳材料的合成关于制备氮掺杂碳材料的路线，由于现存方法种类较多，因此难以建立很明确的分类。但是根据是否和氮源同时对碳前体进行热处理以得到掺氮碳材料，可以将它们分为两大类：后掺杂和原位掺杂的合成方法（图1.3）。图1.3合成含氮碳材料的方法概述1.3.1原位掺杂合成方法在原位掺杂合成中，氮掺杂和碳材料的合成同时发生。最常用的方法之一是化学气相沉积（CVD），因为它适合制备氮基在碳材料中分布良好的氮掺杂碳材料，例如石墨烯，CNT，CNF或微孔碳[41-46]。最近，Castro-Muiz等人报道了一种通过将含氮的离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑四氰基硼酸酯）渗透在Y型沸石中，然后通过CVD来制备具有高表面积的共掺杂微孔碳的新方法。这种方法制备的共掺杂的微孔碳中氮的主要存在形式是吡啶氮，少量的还观察到吡咯氮和石墨氮[45]。N-CNF也已通过将C2H4/NH3混合物进行化学气相沉积被成功合成，随着含N前体的增加，吡啶基的含量也逐渐升高[47]。含氮前体的碳化，在某些情况下是化学活化的过程，已被广泛用于获得氮掺杂的多孔碳的制备中。在种情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]庐枞矿集区科学钻探的岩性识别方法[J]. 邓呈祥,高文利,潘和平,孔广胜,方思南,林振洲. 物探与化探. 2015(06)
[2]Heterogeneous catalysis for green chemistry based on nanocrystals[J]. Yuxi Liu,Guofeng Zhao,Dingsheng Wang,Yadong Li. National Science Review. 2015(02)
本文编号：3241269
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