模板法合成杂原子掺杂多孔碳材料及其电化学催化性能研究

发布时间：2020-04-10 18:13

【摘要】：能源危机使发展新型能源成为当前最紧急的任务之一,燃料电池由于能量效率高、环境友好和可持续等特点,得到了广泛的关注。传统燃料电池的电极材料通常是由铂、钌、铱等贵金属催化剂组成的,虽然其催化效率高,但是有限的储量、高昂的价格和较差的稳定性限制了燃料电池的大规模商业化应用。因此制备一种催化活性高,成本低,稳定性好的电催化剂是非常必要的。目前正在研究的具有高效活性位点的材料包括不含金属的杂原子(N,P,S)掺杂碳材料,过渡金属氮掺杂(M-N-C、M为铁、钴、钼、镍、铌)材料、金属氧化物、过渡金属酞菁(卟啉)及其与碳纳米材料复合物。其中,过渡金属杂原子掺杂材料由于具有高的电化学催化活性和优异的稳定性成为目前研究的热点。本论文主要包括以下二个部分:(1)采用硬模板法合成一种新型的Fe_3C纳米颗粒负载的3D多孔氮掺杂碳(Fe_3C/NC)作为高效的氧还原催化剂。实验结果表明,催化剂的电催化活性取决于热分解温度及前体的组分,在1000℃热解时获得的材料(命名为Fe_3C/NC-1000)的催化剂电催化活性最好,与Pt/C(20 wt.%Pt)相比具有更正的起始和半波电位,并且显示出较好的甲醇交叉反应耐受性,在经过3000次循环伏安测试后,起始电位和半波电位偏移的程度可以忽略不计。(2)采用微乳法成功合成一种新型的锌钴硫氮共掺杂碳空心球材料(Zn@Co/NSC)作为高效的酸碱性介质中的氧还原反应催化剂(软模板)。该方法将微乳的球形结构与MOFs的生长特性相结合,制备出具有空心球形结构的Zn@Co/NSC催化剂。催化剂在碱性和酸性介质中的氧还原起始电位分别为1.0和0.882 V,同时催化剂还具有良好的稳定性和耐甲醇性。
【图文】：

示意图,燃料电池,示意图

图 1.1 燃料电池示意图.3 燃料电池的应用(1)航天领域：早在上个世纪燃料电池技术就运用到航天领域当中，燃料电效的特点使其成为航天技术的首选，可以安装在宇宙飞船和航天飞机的动力例如，美国在上世纪将燃料安装在 Apollo 宇宙飞船上，这艘飞船完成了将飞行任务，累计飞行超过 10000 小时，这说明燃料电池的可靠性非常高。(2)潜艇方面：用燃料电池作为动力源的潜艇具有续航时间长，安静，隐蔽点。(3)电动汽车：随着汽车使用量的增加，传统燃料内燃机带来的环境污染日使用燃料电池作为动力源是最佳的方案。近 20 年以来各国政府大力发展燃车，已经取得了不小的成果，目前已知燃料电池汽车还在试用阶段，需要不技术改进，使技术更稳定成熟。(4)燃料电池固定式、分散站：目前最普遍的发电站是火力发电站，污染大。燃料电池作为低碳，减排的清洁发电技术，得到人们大力发展，目前遇到

合成工艺,催化剂

图 1.3 催化剂 HPC-Fe/N-700 的整体合成工艺图，，Mohammad Rafiee1 课题组[109]以 SBA-15 为模板并混合 1-甲基硫酸氢盐(MPIHS)和鸟嘌呤作为前体在 800、900 和 1000°C 氩气环氢氧化钾溶液除去模板，得到了有序的介孔碳结构(OMCS)。催化RR 性能测试如图 1.4 所示。实验探究了温度、氮含量、以及 SBA石墨化程度、含氮量和孔道结构的影响，结果表明，温度升高有利墨化程度，增加鸟嘌呤加入量有利于增大催化剂的含氮量，模板的匀多孔的结构。催化剂的电化学测试表现出良好的 ORR 活性和抗主要归因于它具有高比表面积的孔道结构与适度的石墨化程度。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4;TQ127.11

【参考文献】