金属磷化物与生物质基多孔炭复合材料的制备及性能研究

发布时间：2020-04-05 20:31

【摘要】：随着世界经济现代化的发展,能源问题和生态问题日趋严重。对发展绿色、可再生和高效率的能源转换方法以及新的能源储存材料有很高的需求。多孔炭材料由于其高比表面积、优良的热稳定性和高导电性等优点,使其在储能和电化学等领域得到重要的应用。本文采用生物质或其衍生物为碳源、氮源、磷源,冷冻干燥及高温碳化/活化过程,制备了生物质基杂原子掺杂多孔炭材料。生物质基杂原子掺杂多孔炭材料合成过程加入金属盐,制备了金属磷化物/生物质基杂原子掺杂多孔炭复合材料。研究了所制备复合材料的超级电容器性能和电催化性能。研究发现:(1)植酸的加入量、碳化/活化温度对多孔炭比表面积和孔体积影响很大,其中碳化温度为900℃植酸几丁质质量比为3:1时得到的材料比表面积(1626 cm~2 g~(-1))和孔体积(0.91 cm~3 g~(-1))最大。通过SEM、TEM、XRD、BET等对氮磷共掺杂多孔碳材料表面形貌与结构特征的研究表明,氮磷共掺杂多孔炭材料具有较高的比表面积和丰富的微/介孔孔道结构。在超级电容器测试中,扫速为2 mV s~(-1)下的电容量为157 mAh g~(-1),即使在较高的扫速5 mV s~(-1)下,电容量仍为128 mAh g~(-1)。(2)在合成生物质基杂原子掺杂多孔炭材料过程中加入金属盐七钼酸铵,经高温碳化后生成磷化钼,得到磷化钼/生物质基杂原子掺杂多孔炭复合材料(NPPC?MoP)。氮气吸脱附测试表明,该材料仍具有较高的比表面积(1200 cm~2 g~(-1))和孔体积(0.67 cm~3g~(-1))。XPS及EDS测试结果表明,氮、磷成功掺杂到多孔材料中。在酸性或碱性电解质中测试了NPPC?MoP的析氢催化活性,结果表明NPPC?MoP材料在酸性或碱性介质中均表现出高效的析氢催化活性,即电流密度10 mA cm~(-2)时过电位分别为121mV、219 mV。循环稳定性测试表明,经过12小时循环后,NPPC?MoP仍保持高效的析氢催化活性。(3)通过与(2)相同的方法合成了金属磷化物合金磷化铁钴/生物质基杂原子掺杂多孔炭复合材料(NPPC?FeCoP),XRD测试结果表明成功合成了金属磷化物合金磷化铁钴。作为析氢反应催化剂在酸性介质中研究了其催化性能,结果表明,在电流密度为10 mA/cm~2时NPPC?FeCoP(过电位114 mV)材料的催化性能优于其对应单金属磷化物NPPC?CoP(143 mV)、NPPC?FeP(218 mV)的性能。证明NPPC?CoP材料中铁掺杂或NPPC?FeP中钴掺杂对HER性能起协同作用。对NPPC?FeCoP进行了循环稳定性测试,结果表明经过12小时循环后,NPPC?FeCoP仍保持高效的析氢催化活性。
【图文】：

碳化法(HTC)化(HTC)通常是在温度温和(130-250 oC)的条件和自生压力下有效地水解和脱水生物质，并赋予氢炭高含量含氧官能团，炭的有效前驱体[21][22][23]。生物质在水热条件下的处理可以促进和化学相互作用，从而形成碳材料。最近，生物质前体的 H真菌[25]，枸杞树皮[26]，松果[27]，烟草杆[28]和甘蔗渣[29]，由于其染，已被广泛探索。HTC 过程中涉及的化学反应包括五个步，聚合和芳构化[30]。不同的碳前体，例如花生壳[31]，棕榈空果茎[34]，榛子壳[35]，麦秸秆[36]，大黑木耳[37][38]和卵清蛋白[39]，产 250 m2g-1的 HTC 碳材料。虽然 HTC 代表了直接由生物质工艺，但 HTC 获得的碳通常表现出较少的孔隙和较低的比表多努力来改善 HTC 衍生碳的孔隙率和比表面积，例如添加模

与 KOH 化学活化的三个结论[50][51][52]：(a) KOH 与多种钾化化学活化剂蚀刻硬碳时，具有良好的化学活性；(b) H2O 和 C碳，产生更多的孔隙；(c) 插入碳层的金属 K 和化合物进一步层。Li 等[53]将泡桐被绒毛用 KOH 活化制备了多孔炭(PTPCKOH 与前驱体以质量比分别为 4:1、5:1 和 7:1 碳化后，根据PTPC-4、PTPC-5 和 PTPC-7 的比表面积分别为 2275.8、1914.4 和品均表面粗糙，具有出丰富的大孔隙，在低含量的 KOH 浓度可以随着 KOH 浓度的增加而增大，然后达到最大值，当 KO会导致比表面积的减小，，因为过多的 KOH 会导致更多的碳流H 活化的初始过程中也会形成微孔，随着 KOH 含量的增加，孔。将 PTPC 应用在钠电池中，电化学测试表明，分层孔隙距离，促进电解质的渗透，为 Na+提供良好的储层和吸附位点供良好的电化学性能。他们还利用花生皮制备了具有片状结的结构及高比表面积使多孔炭具有优异的钠电电化学性能[54]
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TM53

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本文编号：2615498