杂原子掺杂碳材料的合成及其氧还原性能的研究

发布时间：2017-09-23 13:21

  本文关键词：杂原子掺杂碳材料的合成及其氧还原性能的研究

  更多相关文章： 氧还原反应 杂原子掺杂 碳材料 生物质 催化剂

【摘要】：杂原子掺杂作为一种有效改善碳材料电化学性能的方法,能够极大地拓宽碳材料的应用范围,开辟碳材料在燃料电池研究领域中的应用。燃料电池作为一种效率高、环境友好的绿色能源技术,成为当今能源领域研究的热点。目前,Pt基催化剂仍是燃料电池阴极氧还原反应最有效的催化剂,但其存在着成本高、耐甲醇干扰性能差、易受CO毒害以及催化活性易衰减等问题,这严重制约了燃料电池大规模商业化的应用。因此,探索成本低、催化活性高、选择性好、持久稳定的燃料电池阴极催化剂具有十分重要的意义。杂原子掺杂碳材料在碱性介质中具有优越的氧还原催化性能,成为了极具潜在应用前景的燃料电池阴极氧还原催化剂。基于此,本论文围绕杂原子掺杂碳材料这一课题开展了以下工作:(1)氮掺杂碳包覆Mn3O4纳米棒的合成及其氧还原性能研究。以有机物双氰胺为碳源和氮源,水热和高温煅烧结合的方法,合成了氮掺杂碳包覆Mn3O4(Mn3O4@CNx)。扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱仪等测试表明,Mn3O4@CNx呈纳米棒状,外面包覆一层的氮掺杂碳层,厚度约为5nm,氮元素成功掺入材料中并以不同化学状态存在。循环伏安、线性扫描和电流-时间等技术测试结果表明,在碱性介质中,Mn3O4@CNx纳米棒具有良好的氧还原催化活性、抗CO毒害性能、耐甲醇干扰性能以及稳定性。(2)基于生物质的氮掺杂碳材料的合成及其氧还原性能研究。以自然界资源丰富的生物质红苋菜(废弃的叶子、茎、提取花青素后残渣)为碳源和氮源,直接一步高温碳化合成了一系列的氮掺杂碳材料。X射线光电子能谱表征结果表明氮元素成功掺入碳材料中并以吡啶型氮、吡咯型氮和石墨型氮三种结合态存在。电化学测试结果表明,800℃碳化废弃的叶子得到的氮掺杂碳材料在碱性介质中的氧还原催化活性最好,可以与商业化Pt/C(20%Pt,JM)催化剂相媲美,且具有更好的耐甲醇干扰性能、抗CO毒害性能和稳定性。(3)基于生物质的氮、硫双掺杂碳材料的合成及其氧还原性能研究。以生物质金银花为碳源、氮源和硫源,直接高温碳化制备了多孔氮、硫双掺杂碳材料。表征结果表明氮和硫元素成功掺杂在碳材料中,800℃碳化得到的氮、硫双掺杂碳材料PHC的比表面积高(802.7795 m2 g-1)且具有类石墨烯结构。电化学测试结果表明,PHC在碱性介质中表现出优异的氧还原催化活性,且具有比商业化Pt/C(20%Pt,JM)催化剂更好的耐甲醇干扰性能、抗CO毒害性能和稳定性。
【关键词】：氧还原反应 杂原子掺杂 碳材料 生物质 催化剂
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 氮掺杂碳材料12-15
• 1.2.1 氮掺杂碳材料作为氧还原催化剂载体的研究13
• 1.2.2 氮掺杂碳材料自身作为氧还原催化剂的研究13-15
• 1.3 其他杂原子掺杂碳材料15-17
• 1.3.1 硼掺杂碳材料15-16
• 1.3.2 硫掺杂碳材料16
• 1.3.3 磷掺杂碳材料16-17
• 1.4 生物质基碳材料17-18
• 1.5 本论文的选题背景和主要研究内容18-21
• 第二章 氮掺杂碳包覆Mn3O4纳米棒的合成及其氧还原性能研究21-33
• 2.1 引言21-22
• 2.2 实验部分22-25
• 2.2.1 实验药品22
• 2.2.2 实验仪器22-23
• 2.2.3 氮掺杂碳包覆Mn3O4纳米棒的制备和工作电极的制备23-24
• 2.2.4 氮掺杂碳包覆Mn3O4纳米棒的表征和电化学性能测试24-25
• 2.3 结果与讨论25-31
• 2.3.1 氮掺杂碳包覆Mn3O4纳米棒的结构表征25-27
• 2.3.2 氮掺杂碳包覆Mn3O4纳米棒和商业化Pt/C的氧还原活性研究27-28
• 2.3.3 氮掺杂碳包覆Mn3O4纳米棒和商业化Pt/C的耐甲醇干扰性能研究28-29
• 2.3.4 氮掺杂碳包覆Mn3O4纳米棒和商业化Pt/C的抗CO毒害性能研究29-30
• 2.3.5 氮掺杂碳包覆Mn3O4纳米棒和商业化Pt/C的稳定性能研究30-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第三章 基于生物质氮掺杂碳材料的合成及其氧还原性能研究33-49
• 3.1 引言33-34
• 3.2 实验部分34-36
• 3.2.1 实验药品34
• 3.2.2 实验仪器34-35
• 3.2.3 氮掺杂碳材料的制备和工作电极的制备35-36
• 3.2.4 氮掺杂碳材料的表征和电化学性能测试36
• 3.3 结果与讨论36-47
• 3.3.1 氮掺杂碳材料的结构表征36-41
• 3.3.2 氮掺杂碳材料和商业化Pt/C的氧还原活性研究41-45
• 3.3.3 氮掺杂碳材料和商业化Pt/C的耐甲醇干扰性能研究45-46
• 3.3.4 氮掺杂碳材料和商业化Pt/C的抗CO毒害性能研究46-47
• 3.3.5 氮掺杂碳材料和商业化Pt/C的稳定性研究47
• 3.4 本章小结47-49
• 第四章 基于生物质的氮、硫双掺杂碳材料的合成及其氧还原性能研究49-63
• 4.1 前言49
• 4.2 实验部分49-53
• 4.2.1 实验药品49-50
• 4.2.2 实验仪器50-51
• 4.2.3 氮、硫双掺杂碳材料的制备和工作电极的制备51-52
• 4.2.4 氮、硫双掺杂碳材料的表征和电化学性能测试52-53
• 4.3 结果与讨论53-61
• 4.3.1 氮、硫双掺杂碳材料的结构表征53-57
• 4.3.2 氮、硫双掺杂碳材料和商业化Pt/C的氧还原活性研究57-59
• 4.3.3 氮、硫双掺杂碳材料和商业化Pt/C的抗CO毒害性能研究59-60
• 4.3.4 氮、硫双掺杂碳材料和商业化Pt/C的耐甲醇干扰性能研究60
• 4.3.5 氮、硫双掺杂碳材料和商业化Pt/C的稳定性研究60-61
• 4.4 本章小结61-63
• 第五章 结论与展望63-65
• 参考文献65-77
• 致谢77-79
• 攻读学位期间所参与发表的学术论文79-80

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 姚国富;李文斌;;锂离子二次电池硬炭负极材料的研究进展[J];船电技术;2014年05期

2 Hong-quan Yu;Yan-bo Wu;Tie-ben Song;Yue Li;Yu Shen;;Preparation of metal oxide doped ACNFs and their adsorption performance for low concentration SO_2[J];International Journal of Minerals Metallurgy and Materials;2013年11期

3 林婷婷;吕秋丰;;氮掺杂石墨烯的制备及应用[J];功能材料;2015年05期

4 Yan-bo Wu;Jun Bi;Ting Lou;Tie-ben Song;Hong-quan Yu;;Preparation of a novel PAN/cellulose acetate-Ag based activated carbon nanofiber and its adsorption performance for low-concentration SO_2[J];International Journal of Minerals Metallurgy and Materials;2015年04期

5 刘爽;李勇;申文杰;;晶相调控对金属纳米粒子催化性能的影响（英文）[J];催化学报;2015年09期

6 隋志军;李平;周静红;朱贻安;De Chen;周兴贵;;纳米碳纤维的微观结构调控与催化作用[J];化工学报;2014年01期

7 Yanhong Lu;Yi Huang;Fan Zhang;Long Zhang;Xi Yang;Tengfei Zhang;Kai Leng;Mingjie Zhang;Yongsheng Chen;;Functionalized graphene oxide based on p-phenylenediamine as spacers and nitrogen dopants for high performance supercapacitors[J];Chinese Science Bulletin;2014年16期

8 李波;苏党生;;利用杂原子调控纳米碳材料催化剂催化能力的初步探索[J];化工学报;2014年07期

9 聂仁峰;江和展;鲁新环;周丹;夏清华;;氮杂石墨烯负载钯的制备及其在Suzuki偶联反应中的应用[J];湖北大学学报(自然科学版);2015年06期

10 赵东江;马松艳;白晓波;;掺杂石墨烯用作阴极氧还原催化剂的研究进展[J];炭素技术;2015年01期

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张叶臻;新型石墨纸和石墨烯在微生物燃料电池中的应用研究[D];华南理工大学;2013年

2 史昕欣;空气阴极微生物燃料电池阴极结构及催化剂的研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

3 杨敬贺;石墨烯基催化剂的合成及催化性能研究[D];大连理工大学;2013年

4 成洪业;纳米碳纤维的分子模拟研究：微观结构与金属负载性能[D];华东理工大学;2013年

5 张连营;直接甲酸燃料电池高性能Pd电催化剂的制备及其催化行为的研究[D];西南大学;2014年

6 冯亚娟;功能材料结构与性能的同步辐射研究[D];中国科学技术大学;2014年

7 王文静;碳纳米管改性碳纤维增强纸基摩擦材料的制备与研究[D];陕西科技大学;2014年

8 蔡丹丹;基于石墨烯的高性能锂离子电池负极材料的研究[D];华南理工大学;2014年

9 王欢;多孔碳及其纳米复合材料的合成与电催化应用研究[D];东北师范大学;2014年

10 陈敬艳;氮掺杂及铁—氮掺杂非晶碳薄膜的制备及其氧还原电催化性能研究[D];吉林大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 刘晓晨;石墨烯负载直接甲醇燃料电池阳极催化剂的合成、表征及其电催化性能研究[D];南昌大学;2013年

2 张金丹;基于过渡金属氧化物/碳纳米复合材料的电化学传感器的研究[D];温州大学;2013年

3 钟金娣;直接液体燃料电池电催化剂的制备和性能研究[D];湖南大学;2013年

4 赵月;质子交换膜燃料电池有序膜电极研究[D];大连交通大学;2013年

5 王平;氮掺杂石墨烯和碳化钼/石墨烯复合纳米材料的电催化性能研究[D];中国科学技术大学;2014年

6 孙丰霞;部分锂离子电池材料的制备与电化学性能[D];苏州大学;2014年

7 聂润秋;化学修饰电极的制备及应用研究[D];东北师范大学;2014年

8 卢静;介孔碳及其复合材料修饰电极的电催化及电化学传感研究[D];东北师范大学;2014年

9 乔航;锰氧化物的制备、表征及电化学应用研究[D];中南大学;2014年

10 袁金兰;铝—空气电池阴极反应催化剂BiOX(X=Cl,Br,I)的合成、表征及电化学性能研究[D];中南大学;2014年

，

本文编号：905481