多元素掺杂的纳米多孔材料的合成及其电化学性能研究

发布时间：2017-06-11 10:08

  本文关键词：多元素掺杂的纳米多孔材料的合成及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,能源危机日益严峻,传统能源的日渐耗尽将无法适应社会的高速发展。燃料电池作为一种高性能、绿色无污染的新型能量转化设备,已经得到了学术界和工业界的广泛关注,并取得了长足进步。燃料电池将燃料的化学能直接转化为电能,转换效率高。阴极的氧化还原反应(简称ORR),是影响燃料电池能量转换效率的一个最主要的限制因素。当前,ORR活性最高的铂系催化剂存在成本高、储量少、耐用性不高等缺点,大大限制了它在燃料电池工业化方面的应用。与商用的贵金属催化剂相比,非贵金属催化剂得到了越来越多的关注。碳材料尤其是杂原子掺杂的碳材料,具有良好的ORR催化活性,很高的抗甲醇和一氧化碳中毒能力和优越的稳定性,得到了高度关注。此外,氢气是一种环境友好型的燃料,可以用于电化学电池为车辆、电子设备提供动力,解决能源危机。析氢反应(HER)是电解法制备氢气的重要过程,因此找到一种有效的电化学催化剂成为了研究热点。本论文采用金属有机框架化合物(简称MOFs)作为基体,通过后合成改性进行P掺杂,再通过高温碳化得到氮磷共掺杂的纳米多孔碳材料,在ORR和HER方面具有较好的催化活性,为开发双功能催化剂提供了一种新途径。本研究主要内容如下：1)采用含氮的多孔MOF材料——UiO-66-NH2作为自牺牲模板,同时作为碳源和氮源,再通过一步后合成修饰(PSM)与掺P剂反应得到富氮磷的前驱体,碳化后再用酸洗得到的氮磷共掺杂的纳米多孔碳材料。研究了碳化温度对碳材料结构和性能的影响,结果表明950℃下得到的样品ORR性能最好。并通过对比实验,直接碳化UiO-66和UiO-66-NH2,探索了磷和氮元素在ORR中所起的作用,证明磷和氮元素在催化ORR反应时的协同效应。2)以UiO-66-NH2为基体,碳化后再用酸洗得到的氮磷共掺杂的纳米多孔碳材料,具有较高的BET比表面积(1095 m2/g),表现出良好的ORR催化性能。在0.1 M KOH条件下,催化活性与20% Pt/C相当,起始电位为0.98V,半波电位为0.80V,极限扩散电流密度为4.83mA/cm2,在0.6V时电子转移数为3.83。而且,P-N-Carbon-950不发生甲醇中毒现象,在0.6V条件下6小时计时电流测试表明P-N-Carbon-950的电流下降约5%,远远优于20% Pt/C催化剂的33%,具有很好的长期操作稳定性。3)以MIL-101-NH2(Fe)为基体,通过上述类似方法得到的磷氮共掺杂的碳材料,具有ORR和HER双功能催化剂的特性。在0.1 MKOH条件下,起始电位为0.99V,半波电位为0.82V,与20% Pt/C相差分别为10mV和20mV；极限扩散电流密度为5.50mA/cm2,优于20%Pt/C的5.05mA/cm2,在0.6V时电子转移数为3.9,表现出良好的ORR催化性能。在0.5M H2SO4条件下催化氢析出反应(HER),起始电位为-0.15V,在电流密度为10mA/cm2时,电位为-0.255V,具有一定的HER催化活性。
【关键词】：氮磷共掺杂 纳米多孔碳材料 燃料电池 氧还原反应 析氢反应
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383;O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 金属有机框架化合物(MOFs)概述13-15
• 1.1.1 MOFs研究背景13-14
• 1.1.2 MOFs的改性研究14-15
• 1.2 纳米多孔碳材料研究概述15-21
• 1.2.1 纳米多孔碳材料简介15-16
• 1.2.2 单掺杂纳米多孔碳材料16-19
• 1.2.3 多掺杂纳米多孔碳材料19-20
• 1.2.4 MOF-基多孔碳材料的研究20-21
• 1.3 掺杂纳米多孔碳材料在电化学领域的应用21-23
• 1.3.1 燃料电池阴极氧还原反应(ORR)21-22
• 1.3.2 析氢反应(HER)22-23
• 1.4 本课题的立题意义及其研究内容23-25
• 第二章 两种MOF基氮磷共掺杂的多孔碳的制备及表征25-41
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验部分26-31
• 2.2.1 主要试剂与仪器26-28
• 2.2.2 两种MOF材料的制备28
• 2.2.3 MOF-基氮磷共掺杂的多孔碳的制备28-29
• 2.2.4 MOF-基氮磷共掺杂的多孔碳的表征方法29-31
• 2.3 表征结果与分析31-39
• 2.3.1 制备UiO-66-NH_2基氮磷共掺杂多孔碳的相关表征31-36
• 2.3.2 制备MIL-101-NH_2(Fe)基氮磷共掺杂多孔碳的相关表征36-39
• 2.4 本章小结39-41
• 第三章 UiO-66-NH_2-基氮磷共掺杂多孔碳材料应用于ORR41-53
• 3.1 引言41-42
• 3.2 实验部分42-43
• 3.2.1 工作电极制备42
• 3.2.2 电化学性能测试42-43
• 3.3 结果与分析43-50
• 3.3.1 循环伏安法(CV)测试43-45
• 3.3.2 线性扫描伏安法(LSV)测试45-49
• 3.3.3 抗甲醇干扰性和稳定性测试49-50
• 3.4 本章小结50-53
• 第四章 MIL-101-NH_2(Fe)-基氮磷共掺杂多孔碳应用于ORR和HER53-63
• 4.1 引言53
• 4.2 实验部分53-54
• 4.2.1 工作电极制备53-54
• 4.2.2 ORR性能测试54
• 4.2.3 HER性能测试54
• 4.3 结果与分析54-60
• 4.3.1 碱性条件下ORR性能表征54-57
• 4.3.2 酸性条件下ORR性能表征57-58
• 4.3.3 酸性条件下HER性能表征58-60
• 4.4 本章小结60-63
• 第五章 结论63-65
• 参考文献65-73
• 致谢73-75
• 研究成果及发表的学术论文75-77
• 作者及导师简介77-78
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书78-79

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本文编号：441354