氮掺杂碳纳米管的制备及其氧还原性能研究

发布时间：2017-05-13 21:02

  本文关键词：氮掺杂碳纳米管的制备及其氧还原性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,关于各种用于氧还原反应(ORR)的非贵金属电催化剂的研究越来越广泛。发展一种简单有效的方法,合成性能上优于商业铂碳的非贵金属催化剂,具有非常重要的科学意义与应用价值。本文提出了一种简便、低成本、可以大规模合成的方法制备氮掺杂的碳纳米管,并对其ORR性能进行了研究。主要取得研究成果及创新点如下:1.通过煅烧醋酸钴和三聚氰胺的混合物,得到了一种均匀的氮掺杂(N-doped)的顶部封装钴纳米粒子的竹节状碳纳米管(NBCNT)。这种均匀的氮掺杂的竹节状碳纳米管表现出优于商业Pt/C的氧还原催化性能。最终扩散电流达到5.48 mA/cm2,优于商业Pt/C的4.91 mA/cm2;起始电位-0.0067 V,优于商业铂碳的-0.019 V;半波电位比商业铂碳大34 mV。从以上性能得出,制备的氮掺杂竹节状碳纳米管在氧还原催化反应活性上优于商业铂碳。2.相比于高效的Pt/C催化剂,氮掺杂竹节状碳纳米管表现出更高的甲醇耐受性以及长时间循环的稳定性。氮掺杂竹节状碳纳米管表现出在酸中的化学稳定性以及在酸性环境中不错的氧还原催化性能。极限扩散电流接近于商业Pt/C的大小。研究发现这是由于保护性的石墨碳层提供的耐酸性。其优异的氧还原催化性能来源于其规整的形貌、独特的竹节状结构、氮掺杂造成的较高的缺陷密度以及钴纳米粒子和包裹保护石墨层之间的协同效应。这种合成ORR催化剂的简便方法,催化剂的新结构,为发展低成本、高性能的ORR催化剂开辟了新途径。
【关键词】：过渡金属 电催化剂 碳纳米管 非贵金属催化剂 氧还原反应
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;O613.71
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-25
• 前言9
• 1.1 低维碳材料的分类9-16
• 1.1.1 零维碳材料9-11
• 1.1.2 一维纳米碳材料11-15
• 1.1.3 二维碳纳米材料15-16
• 1.2 燃料电池16-23
• 1.2.1 燃料电池简介16-18
• 1.2.2 燃料电池阴极材料研究进展18-23
• 1.2.2.1 Pt基催化剂19-21
• 1.2.2.2 非贵金属催化剂21-22
• 1.2.2.3 无金属催化剂22-23
• 1.3 论文的选题背景及研究内容23-25
• 第二章 实验部分25-31
• 2.1 仪器与试剂25-26
• 2.2 材料表征方法26-28
• 2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）26
• 2.2.2 透射电子显微镜（TEM）26
• 2.2.3 X射线衍射26
• 2.2.4 Ramen光谱26-27
• 2.2.5 X射线电子能谱(XPS)27
• 2.2.6 热重分析（TGA）27
• 2.2.7 高分辨透射电镜（HRTEM）及电子能谱(EDX)27
• 2.2.8 N2等温吸脱附曲线（BET）27-28
• 2.3 氧还原(ORR)电化学表征方法28-31
• 2.3.1 测试前的准备28-29
• 2.3.2 氧还原（ORR）电催化性能测试——旋转圆盘（RDE）电极测试29
• 2.3.3 氧还原（ORR）电催化性能测试——旋转环盘(RRDE)电极测试29-30
• 2.3.4 催化剂氧还原（ORR）耐久性测试30-31
• 第三章 氮掺杂竹节状碳纳米管的合成与表征31-43
• 3.1 氮掺杂竹节状碳纳米管催化剂的制备：31-32
• 3.2 氮掺杂竹节状碳纳米管的结构表征：32-35
• 3.2.1 氮掺杂竹节状碳纳米管的形貌分析32-33
• 3.2.2 氮掺杂竹节状纳米管的结构与元素分析33-35
• 3.3 氮掺杂竹节状碳纳米管的电化学表征35-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 氮掺杂竹节状纳米管的机理研究43-56
• 4.1 氮掺杂竹节状碳纳米管的合成机理探究43-47
• 4.1.1 钴含量对于竹节状碳纳米管生长的影响43-44
• 4.1.2 热处理温度对于竹节状碳纳米管生长的影响44-47
• 4.1.3 氮掺杂竹节状碳纳米管的生长机理47
• 4.2 氮掺杂竹节状纳米管的氧还原催化活性探索47-55
• 4.2.1 不同热处理温度对于催化剂氧还原催化活性的影响47-53
• 4.2.2 均匀且独特的竹节状结构对氧还原催化活性的影响53
• 4.2.3 Co纳米粒子对催化剂的氧还原催化活性的影响53-55
• 4.3 本章小结55-56
• 第五章 总结与展望56-58
• 5.1 总结56-57
• 5.2 展望57-58
• 参考文献58-64
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单64-65
• 致谢65

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本文编号：363584