钴基金属有机骨架衍生的杂原子掺杂碳纳米材料的制备及其氧还原性能研究
发布时间：2021-12-30 07:35
为实现绿色环保、可持续发展的目标,开发清洁可再生能源或能源转换装置显得尤为迫切。在众多能源转换技术当中,燃料电池具有清洁、高效的特点,被认为是一种极具吸引力的新型能量转换装置。然而,燃料电池的效率受到阴极氧还原反应（ORR）过程中动力学缓慢的制约,需要添加催化剂提升效率。目前,Pt基催化剂仍然是最有效的ORR催化剂,但Pt基催化剂成本高、储备少、易CO中毒和稳定性差等缺陷严重地阻碍燃料电池大规模商业应用。因此,探索廉价、高效和高稳定性的Pt基催化剂替代品是十分必要的。由MOFs材料衍生的杂原子掺杂碳材料具有制备简单、价格低、稳定性高及甲醇耐受性好的特点,已被证明是最有前景的贵金属催化剂替代品之一。本研究以Co-基MOF为基础,通过与氧化石墨烯（GO）复合、杂原子共掺杂等方式制备出两种高效的氧还原催化剂,具体内容如下:（1）以六水硝酸钴、GO、对苯二甲酸、三乙烯二胺、尿素（Urea）为原料,采用水热法合成了一系列掺杂GO的Co-MOF-GO（m）前驱体,再将Urea引入Co-MOF-GO（m）的孔道中,得到一列Co-MOF-GO（m）/Urea（n）模板材料。采用高温密闭煅烧的方法将Co...
【文章来源】：西华师范大学四川省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢气燃料电池的结构示意图[18]
MOF/GO/MOF纳米片的示意图[60]
第1章绪论8图1-4(a)FeSA-NC在碱性条件的LSV图,(b)FeSA-N-C的EXAFS图谱[68]Fig.1-4(a)LSVofFeSA-NCunderalkalineconditions,(b)EXAFSspectrumofFeSA-N-C[68].1.5.2金属纳米颗粒活性位点通过MOFs的热解可以得到各种金属基纳米颗粒，包括金属、合金、碳化物、氧化物、氮化物、磷化物、硫化物等，在这些材料中，含有钴的纳米颗粒是ORR电催化研究中的热点之一[70,7375]。金属钴、钴化合物和含钴复合材料已显示出较高的ORR活性，含钴MOF的热解是制备含钴纳米颗粒多孔碳材料的简便方法之一[76]。比如Li等人[77]报道了一种由CoAl-LDH@ZIF-67衍生的钴纳米颗粒电催化剂LDH@ZIF-67-800，碳化过程中Co纳米颗粒充分暴露在蜂窝状的碳骨架上，生成的Co纳米颗粒平均尺寸为11nm。在0.1mol/LKOH的ORR性能测试中，以Co纳米颗粒均匀分散的多孔碳纳米LDH@ZIF-67-800为催化剂，其起始电位为0.94V，半波电位为0.83V，优于同等条件下测试的Pt/C电催化剂。此外，检测过度金属纳米颗粒的活性位点的实验试剂多为H2S、CN-、SCN-等[78-80]，由于SCN-离子探针与过度金属纳米颗粒配位时会堵塞孔道，阻碍O2与活性位点的接触，从而导致的电催化剂的ORR催化活性大幅降低。据Amiinu等人[80]报道，他们用10×10-3mol/LKSCN做了催化剂中毒实验，证实了钴纳米颗粒是ORR反应的主要活性中心，同时也证实N原子对催化活性也有良好的促进作用。研究结果证实了Co和N两种原子在ORR过程中都非常关键的，它们的协同作用在Co-Nx/CNRA的电催化活性中起着关键作用。1.5.3杂原子活性位点在MOFs中，金属为有机配体的连接中心，有机配体中碳的比重最大，高温热解后即可得到比表面大、含金属纳米颗粒的多孔碳纳米材料。同时，有机配体中常常含有杂原子B、N、P、S、
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ni–Co bimetallic coordination effect for long lifetime rechargeable Zn–air battery[J]. Mengfei Qiao,Ying Wang,Thomas W?gberg,Xamxikamar Mamat,Xun Hu,Guoan Zou,Guangzhi Hu. Journal of Energy Chemistry. 2020(08)
[2]Metal-organic-framework-derived formation of Co–N-doped carbon materials for efficient oxygen reduction reaction[J]. Hao Tian,Chi Zhang,Panpan Su,Zhangfeng Shen,Hao Liu,Guoxiu Wang,Shaomin Liu,Jian Liu. Journal of Energy Chemistry. 2020(01)
本文编号：3557751
【文章来源】：西华师范大学四川省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢气燃料电池的结构示意图[18]
MOF/GO/MOF纳米片的示意图[60]
第1章绪论8图1-4(a)FeSA-NC在碱性条件的LSV图,(b)FeSA-N-C的EXAFS图谱[68]Fig.1-4(a)LSVofFeSA-NCunderalkalineconditions,(b)EXAFSspectrumofFeSA-N-C[68].1.5.2金属纳米颗粒活性位点通过MOFs的热解可以得到各种金属基纳米颗粒，包括金属、合金、碳化物、氧化物、氮化物、磷化物、硫化物等，在这些材料中，含有钴的纳米颗粒是ORR电催化研究中的热点之一[70,7375]。金属钴、钴化合物和含钴复合材料已显示出较高的ORR活性，含钴MOF的热解是制备含钴纳米颗粒多孔碳材料的简便方法之一[76]。比如Li等人[77]报道了一种由CoAl-LDH@ZIF-67衍生的钴纳米颗粒电催化剂LDH@ZIF-67-800，碳化过程中Co纳米颗粒充分暴露在蜂窝状的碳骨架上，生成的Co纳米颗粒平均尺寸为11nm。在0.1mol/LKOH的ORR性能测试中，以Co纳米颗粒均匀分散的多孔碳纳米LDH@ZIF-67-800为催化剂，其起始电位为0.94V，半波电位为0.83V，优于同等条件下测试的Pt/C电催化剂。此外，检测过度金属纳米颗粒的活性位点的实验试剂多为H2S、CN-、SCN-等[78-80]，由于SCN-离子探针与过度金属纳米颗粒配位时会堵塞孔道，阻碍O2与活性位点的接触，从而导致的电催化剂的ORR催化活性大幅降低。据Amiinu等人[80]报道，他们用10×10-3mol/LKSCN做了催化剂中毒实验，证实了钴纳米颗粒是ORR反应的主要活性中心，同时也证实N原子对催化活性也有良好的促进作用。研究结果证实了Co和N两种原子在ORR过程中都非常关键的，它们的协同作用在Co-Nx/CNRA的电催化活性中起着关键作用。1.5.3杂原子活性位点在MOFs中，金属为有机配体的连接中心，有机配体中碳的比重最大，高温热解后即可得到比表面大、含金属纳米颗粒的多孔碳纳米材料。同时，有机配体中常常含有杂原子B、N、P、S、
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ni–Co bimetallic coordination effect for long lifetime rechargeable Zn–air battery[J]. Mengfei Qiao,Ying Wang,Thomas W?gberg,Xamxikamar Mamat,Xun Hu,Guoan Zou,Guangzhi Hu. Journal of Energy Chemistry. 2020(08)
[2]Metal-organic-framework-derived formation of Co–N-doped carbon materials for efficient oxygen reduction reaction[J]. Hao Tian,Chi Zhang,Panpan Su,Zhangfeng Shen,Hao Liu,Guoxiu Wang,Shaomin Liu,Jian Liu. Journal of Energy Chemistry. 2020(01)
本文编号：3557751
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