碳纳米材料合成改性及其在电催化氧还原中的应用研究

发布时间：2017-10-30 21:23

  本文关键词：碳纳米材料合成改性及其在电催化氧还原中的应用研究

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【摘要】：进入21世纪以来,能源短缺问题愈加突显,煤炭、石油等资源日趋枯竭,如果继续无休止地采用,那么子孙后代将无法享用,再加上日益突出的雾霾问题,减少化石燃料的使用势在必行。就目前商业化的铅酸电池和锂离子电池而言,由于容量低,它们都不适合用作新能源汽车的动力电池。进入十三五的发展阶段,新能源汽车更是国家大力支持发展的板块,而动力电池是新能源汽车的核心问题所在。因此,开发出高容量的电池如燃料电池、金属空气电池显得尤为重要。燃料电池是目前为止最接近于商业化的电池,然而由于燃料电池阴极催化剂商业铂碳催化剂价格昂贵、储量低、稳定性差等问题,一直以来制约着燃料电池的大规模推广。因此,当下的首要任务就是开发出催化性能优越、价格便宜、稳定性好的催化剂来替代商业铂碳催化剂。大量的研究发现,杂原子掺杂的碳材料由于其卓越的催化性能以及出色的催化稳定性成为极有可能取代商业铂碳的催化剂。因此,本论文选择最普遍的碳纳米材料,通过掺杂、表面功能化改性以及介孔改性等方式来提升它的氧还原性能。本论文主要通过三种实验方法从三个不同的角度来提高碳纳米材料的氧还原性能。(1)通过管式炉高温煅烧的方法将氮原子和硫原子掺杂到石墨烯的二维框架中去,经过后期测试表征可以发现氮原子最高掺杂量可以达到7.8%(原子比),而硫的掺杂量最高只能达到1.41%,然而,在700℃合成的样品才是氧还原性能最好的；(2)通过硫酸和硝酸按体积比(3：1)在70℃对原始碳纳米管进行温和氧化处理两个小时,经过后期的电化学测试表征发现,酸处理后的碳纳米管相比较原始样品,氧还原性能得到了明显的提升,这主要归功于酸处理引入的表面含氧官能团,这些官能团使得碳纳米管更加亲水,活化了碳纳米管的表面；(3)由无孔金属有机框架在1000℃碳化9h得到的介孔碳同样适合用作氧还原催化剂,比表面和孔径分布的结果表明无孔的MOF碳化得到的介孔碳相比有孔MOF碳化得到的碳材料而言具有更多的介孔结构,同时由介孔贡献的比表面积也更加突出,更多的介孔暴露出更多的氧还原催化活性位点,介孔结构更加有利于氧气以及电解液的传输扩散,加快了氧还原反应速率。
【关键词】：碳纳米材料 掺杂 功能化 表面修饰 介孔 氧还原
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB383.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 碳纳米材料简介11-15
• 1.1.1 富勒烯11-12
• 1.1.2 碳纳米管12
• 1.1.3 石墨烯12-13
• 1.1.4 金属有机框架(MOF)碳化得到的多孔碳13-15
• 1.2 碳纳米材料杂原子掺杂15-16
• 1.3 碳纳米材料功能化16
• 1.4 碳纳米材料的应用16
• 1.5 氧还原反应(ORR)16-18
• 1.5.1 氧还原反应简介16-17
• 1.5.2 氧还原反应催化剂简介17
• 1.5.3 电子转移数计算公式17-18
• 1.6 论文的主要研究内容及意义18-20
• 第2章 一步法合成氮硫共掺杂石墨烯及其在电催化氧还原中的应用研究20-31
• 2.1 引言20-21
• 2.2 实验药品、仪器与实验方案21-24
• 2.2.1 实验药品21-22
• 2.2.2 实验仪器22
• 2.2.3 物理表征仪器22
• 2.2.4 氮硫共掺杂石墨烯的制备方法22-23
• 2.2.5 氮硫共掺杂石墨烯的物理表征23
• 2.2.6 氮硫共掺杂石墨烯的电化学性能测试23-24
• 2.3 实验结果与讨论24-30
• 2.3.1 扫描电镜测试结果分析24
• 2.3.2 拉曼测试结果分析24-25
• 2.3.3 X射线光电子能谱测试结果分析25-27
• 2.3.4 循环伏安测试结果分析27-28
• 2.3.5 线性扫描测试结果分析28-29
• 2.3.6 稳定性(寿命)测试结果分析29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 酸处理碳纳米管及其在电催化氧还原中的应用研究31-44
• 3.1 引言31-32
• 3.2 实验药品、仪器与实验方案32-35
• 3.2.1 实验药品32
• 3.2.2 实验仪器32-33
• 3.2.3 物理表征仪器33
• 3.2.4 酸处理氧化碳纳米管的制备方法33
• 3.2.5 酸处理氧化碳纳米管的物理表征33
• 3.2.6 酸处理氧化碳纳米管的电化学性能测试33-35
• 3.3 实验结果与讨论35-42
• 3.3.1 扫描电镜测试结果分析35-36
• 3.3.2 拉曼光谱测试结果分析36-37
• 3.3.3 傅里叶红外光谱测试结果分析37-38
• 3.3.4 X射线光电子能谱测试结果分析38-39
• 3.3.5 循环伏安测试结果分析39-40
• 3.3.6 线性扫描测试结果分析40-42
• 3.3.7 稳定性测试结果分析42
• 3.4 小结42-44
• 第4章 无孔MOF碳化得到的无掺杂介孔碳的制备及其在电催化氧还原中的应用44-57
• 4.1 引言44-45
• 4.2 实验药品、仪器与实验方案45-47
• 4.2.1 实验药品45-46
• 4.2.2 实验仪器46
• 4.2.3 物理表征仪器46
• 4.2.4 无掺杂介孔碳的的制备方法46-47
• 4.2.5 无孔MOF碳化得非掺杂介孔碳的物理表征47
• 4.2.6 无孔MOF的电化学性能测试47
• 4.3 实验结果与讨论47-56
• 4.3.1 扫描电镜测试结果分析47-48
• 4.3.2 拉曼光谱测试结果分析48-49
• 4.3.3 热重测试结果分析49
• 4.3.4 X射线光电子能谱测试结果分析49-50
• 4.3.5 比表面积测试结果分析50-51
• 4.3.6 循环伏安测试结果分析51-53
• 4.3.7 线性扫描测试结果分析53-56
• 4.3.8 稳定性测试结果分析56
• 4.4 本章小结56-57
• 结论57-58
• 参考文献58-68
• 附录A 攻读学位期间发表的论文68-69
• 致谢69

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