氮掺杂石墨烯的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-06-28 10:03

  本文关键词：氮掺杂石墨烯的制备及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种理想的清洁能源转化装置,PEMFCs采用Pt基催化剂作为阴极和阳极催化剂。但Pt资源稀缺,导致催化剂成本高,限制了PEMFCs的商业化发展。因此,用非贵金属催化剂代替Pt基催化剂对于PEMFCs的发展具有十分重要的现实意义。在诸多的非贵金属催化剂中,氮掺杂石墨烯(N-doped graphene)催化剂因其成本低、催化活性高和稳定性好在燃料电池技术领域拥有巨大潜力。本文采用Hummer氧化法制备氧化石墨烯,经超声剥离得到氧化石墨烯溶胶,将氧化石墨烯溶胶与不同添加量的双氰胺混合均匀后,经过水热法制备出催化性能不同的氮掺杂石墨烯催化剂。此外,还研究了不同化学组成和化学结构的化合物(单氰胺、双氰胺、三聚氰胺)为氮源的氮掺杂石墨烯催化剂。运用TEM、HRTEM及XPS等测试表征不同双氰胺氮添加量以及不同氮源(单氰胺、双氰胺、三聚氰胺)对氮掺石墨烯形貌、化学组成及价态的影响,并用电化学方法在碱性条件下测试氮掺杂石墨烯催化剂的催化性能,研究结果表明：1.掺氮石墨烯片呈现透明薄纱状结构,尺寸在百纳米级大小,并有石墨烯材料特有的皱折和卷曲形态,表明制备的氮掺杂石墨烯催化剂保持了良好的石墨烯二维柔性结构,且具有很高的表面积。2.用双氰胺作氮源制备的氮掺杂石墨烯含有吡咯氮、嘧啶氮、石墨氮等氮物种,表明水热法能将氮掺入石墨烯的晶格和表面,而且保持石墨烯的形貌,氮掺杂石墨烯催化剂中石墨氮的比例对催化剂的ORR活性有重要贡献。3.当双氰胺与氧化石墨烯重量比为5：1时,制备的N-graphene-300催化剂稳定性好,ORR活性最高。与20%的标准铂／碳催化剂(JM-20%-Pt/C催化剂)相比N-graphene-300催化剂的ORR起始还原电位仅相差50 mV,半波电位仅差70mV,其极限电流密度接近标准铂／碳催化剂的极限电流密度。4.对比单氰胺、双氰胺、三聚氰胺、氨水等不同氮源制备的掺氮石墨烯,用双氰胺为氮源制备的掺氮石墨烯催化性能最好,其电催化活性与氮含量无直接对应关系,但与氮的种类(石墨氮、吡咯氮、嘧啶氮)及其含量有关,掺杂过程中形成的吡咯氮可能会阻碍氧还原反应进程,而高含量的石墨氮能提高ORR活性。
【关键词】：燃料电池 掺氮石墨烯催化剂 水热法 石墨氮 氧还原反应
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM911.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-22
• 1.1 质子交换膜燃料电池9-12
• 1.1.1 质子交换膜燃料电池系统的组成9-10
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池的工作原理10-11
• 1.1.3 质子交换膜燃料电池的研究现状11-12
• 1.2 质子交换膜燃料电池阴极催化剂12-16
• 1.2.1 铂基贵金属催化剂12-13
• 1.2.2 非贵金属催化剂13-16
• 1.3 氮掺杂碳基催化剂16-20
• 1.3.1 碳纳米管基电催化剂16-17
• 1.3.2 石墨烯基电催化剂17-20
• 1.4 本论文的选题思路和研究内容20-22
• 第二章 氮掺杂石墨烯催化剂的制备及表征22-29
• 2.1 实验试剂和分析表征22-24
• 2.1.1 实验材料22-23
• 2.1.2 实验仪器23
• 2.1.3 分析表征设备23-24
• 2.2 实验方案24
• 2.3 实验方法24-25
• 2.3.1 氧化石墨烯的制备—改进的Hummer氧化法24
• 2.3.2 氮掺杂石墨烯的制备24-25
• 2.4 工作电极的制备25
• 2.5 分析表征25-28
• 2.5.1 X-射线光电子能谱分析(XPS)25-26
• 2.5.2 透射电子显微镜表征(TEM)26
• 2.5.3 电化学性能表征26-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第三章 氮源量对氮掺杂石墨烯结构和电化学性能的影响研究29-39
• 3.1 引言29
• 3.2 氧化石墨烯和掺氮石墨烯催化剂的制备29-30
• 3.3 结果与讨论30-37
• 3.3.1 氧化石墨烯的TEM和XPS表征30-32
• 3.3.2 氮掺杂石墨烯催化剂的电化学性能研究32-35
• 3.3.3 N-graphene-300催化剂的TEM表征35-36
• 3.3.4 N-graphene-300催化剂XPS表征36-37
• 3.4 本章小结37-39
• 第四章 氮源种类对氮掺杂石墨烯的电化学性能影响研究39-46
• 4.1 引言39
• 4.2 不同氮源催化剂的制备39-40
• 4.3 结果与讨论40-44
• 4.3.1 不同氮掺杂石墨烯催化剂的电化学性能表征40-41
• 4.3.2 不同氮源掺氮石墨烯催化剂的TEM表征41-42
• 4.3.3 不同氮源的氮掺杂石墨烯催化剂的XPS表征42-44
• 4.4 本章小结44-46
• 第五章 结论与展望46-48
• 5.1 主要结论46
• 5.2 本论文的创新之处46-47
• 5.3 展望47-48
• 攻读硕士期间参与的课题48-49
• 参考文献49-57
• 致谢57

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