碳基复合材料的设计合成及其在储能和析氢反应中的应用研究
发布时间：2021-08-19 08:31
多孔碳材料由于具有高比表面积、良好导电性、可调变的孔结构及表面性质等特点,在电化学中具有广泛的应用。首先,先进碳材料可作为高功率密度、高循环稳定性的储能材料;其次,通过碳材料与金属氧化物复合,可以突破锂电池中传统商业化石墨电极材料的低理论比容量(372 mAh g-1)的限制,实现锂离子电池的高能量密度的突破;再次,采用新型碳材料作为载体,通过负载非贵金属催化剂有望为电解水制氢昂贵的Pt/C催化剂替代提供解决途径。而在以上应用中,对碳基（复合）材料的结构调变、表面改性、形貌控制等对于性能的提升具有至关重要的作用。本论文围绕新型碳基（复合）材料的设计及构筑展开,力求实现其高效储能及电催化制氢的应用,同时通过系统的构效关系研究,解释其增效机制,为碳基材料的合理化制备提供理论指导。（1）以杏仁为前驱体采用模板法和原位化学活化相结合的方法制备出具有氮掺杂表面及三维分级多孔结构的功能碳材料。当作为超级电容器储能材料时,最优的杏仁衍生碳（Alm-P-K-800）展现出优异的电容性能,在1.0 A g-1的电流密度下具有228F g-1
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器示意图[7]
青岛大学硕士学位论文5程中的体积膨胀。因此Co3O4/rGO-C具有较高的比电容和优异的循环性能。最后组装了Co3O4/rGO-||RGO非对称超级电容器，当功率密度为750.5WKg-1时提供了48.2WhKg-1的能量密度。1.2锂离子电池负极材料研究进展1.2.1锂离子电池概述锂离子电池是移动设备中最常用的电池类型之一，它具有很高的能量密度，并且在充放电过程不存在记忆效应[7]。如图1.2所示锂离子电池通常由正极、负极隔膜、电解液构成，正极材料一般为锂金属氧化物，而负极通常为石墨，正负极之间充满电解液并用隔膜隔开。锂离子电池通过氧化还原反应使得电能和化学能相互转换，实现储能作用。在充电的过程中，锂金属氧化物中的Li被氧化成Li+进入到电解液中，然后Li+扩散进入负极，电子通过导线传输到负极；在放电过程中，负极中嵌入Li+的被释放到电解液中并扩散到正极，电子通过导线进入正极以提供形成锂金属氧化物所需的电子[25]。锂离子电池在快速充放电的过程中会产生极化导致功率密度降低，这种极化受电极材料的导电性、电极和电解液界面的导电性以及Li+的扩散速率有关。碳材料具有大比表面积、高导电性、微孔/介孔结构等特性，有利于提高电子传输速率，有利于缩短离子扩散路径，有利于提高Li+的嵌入和脱嵌速率。因此碳材料在锂离子电池的应用中展现出巨大的潜力。图1.2锂离子电池示意图[7]Fig.1.2schematicofLi-ionbatteries
青岛大学硕士学位论文9碱性环境中Volmer、Heyrovsky、Tafel反应机理方程式如下：H2O+M+e-=MHads+OH-VolmerH2O+e-=M+OH-+H2↑Heyrovsky2MHads=2M+H2↑Tafel其中Hads是吸附氢，M是催化剂材料[46]。Δ可以用来描述HER反应速率，当时，H*和电极表面的结合更为Δ<0有利，使得Volmer反应更加容易，但是接下来的Heyrovsky反应和Tafel反应将会变得困难；当Δ时，虽然Heyrovsky反应和Tafel反应变得容易，但Volmer>0反应将变得困难，使得整个反应缓慢进行。因此想要提高HER反应速率，催化剂的Δ必须接近于0[47]。图1.3酸性和碱性环境中HER反应路径图[48]Fig.1.3Schematicpathwaysforhydrogenevolutionreactionunderacidicandalkalineconditions1.3.2HER催化剂研究1.3.2.1贵金属催化剂Pt、Ru、Rh、Ir、Pd等贵金属是优良的HER催化剂，其中Pt基催化剂是最有效、最稳定的HER催化剂。但是高昂的价格、较低的储量限制了此类催化剂的应用。因此降低Pt的负载量，提高Pt的利用率很关键。为了有效利用Pt基催化剂，有三种策略：(1)设计合成合理的纳米结构来提高比表面积和活性位点；(2)在低成本材料上沉积单层Pt；(3)将Pt和其他金属合金化[49]。Bai等人[50]制备了一种Pt层厚度可控的Pt@Pd核壳结构纳米材料，并将其负载
本文编号：3351075
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器示意图[7]
青岛大学硕士学位论文5程中的体积膨胀。因此Co3O4/rGO-C具有较高的比电容和优异的循环性能。最后组装了Co3O4/rGO-||RGO非对称超级电容器，当功率密度为750.5WKg-1时提供了48.2WhKg-1的能量密度。1.2锂离子电池负极材料研究进展1.2.1锂离子电池概述锂离子电池是移动设备中最常用的电池类型之一，它具有很高的能量密度，并且在充放电过程不存在记忆效应[7]。如图1.2所示锂离子电池通常由正极、负极隔膜、电解液构成，正极材料一般为锂金属氧化物，而负极通常为石墨，正负极之间充满电解液并用隔膜隔开。锂离子电池通过氧化还原反应使得电能和化学能相互转换，实现储能作用。在充电的过程中，锂金属氧化物中的Li被氧化成Li+进入到电解液中，然后Li+扩散进入负极，电子通过导线传输到负极；在放电过程中，负极中嵌入Li+的被释放到电解液中并扩散到正极，电子通过导线进入正极以提供形成锂金属氧化物所需的电子[25]。锂离子电池在快速充放电的过程中会产生极化导致功率密度降低，这种极化受电极材料的导电性、电极和电解液界面的导电性以及Li+的扩散速率有关。碳材料具有大比表面积、高导电性、微孔/介孔结构等特性，有利于提高电子传输速率，有利于缩短离子扩散路径，有利于提高Li+的嵌入和脱嵌速率。因此碳材料在锂离子电池的应用中展现出巨大的潜力。图1.2锂离子电池示意图[7]Fig.1.2schematicofLi-ionbatteries
青岛大学硕士学位论文9碱性环境中Volmer、Heyrovsky、Tafel反应机理方程式如下：H2O+M+e-=MHads+OH-VolmerH2O+e-=M+OH-+H2↑Heyrovsky2MHads=2M+H2↑Tafel其中Hads是吸附氢，M是催化剂材料[46]。Δ可以用来描述HER反应速率，当时，H*和电极表面的结合更为Δ<0有利，使得Volmer反应更加容易，但是接下来的Heyrovsky反应和Tafel反应将会变得困难；当Δ时，虽然Heyrovsky反应和Tafel反应变得容易，但Volmer>0反应将变得困难，使得整个反应缓慢进行。因此想要提高HER反应速率，催化剂的Δ必须接近于0[47]。图1.3酸性和碱性环境中HER反应路径图[48]Fig.1.3Schematicpathwaysforhydrogenevolutionreactionunderacidicandalkalineconditions1.3.2HER催化剂研究1.3.2.1贵金属催化剂Pt、Ru、Rh、Ir、Pd等贵金属是优良的HER催化剂，其中Pt基催化剂是最有效、最稳定的HER催化剂。但是高昂的价格、较低的储量限制了此类催化剂的应用。因此降低Pt的负载量，提高Pt的利用率很关键。为了有效利用Pt基催化剂，有三种策略：(1)设计合成合理的纳米结构来提高比表面积和活性位点；(2)在低成本材料上沉积单层Pt；(3)将Pt和其他金属合金化[49]。Bai等人[50]制备了一种Pt层厚度可控的Pt@Pd核壳结构纳米材料，并将其负载
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