氮掺杂对CNT及其复合材料电催化性能影响的研究

发布时间：2019-11-05 18:33

【摘要】：目前有两大技术问题阻碍了直接甲醇燃料电池(DMFC)的商业化发展,分别为阴极氧还原反应的动力学缓慢与甲醇渗透。现存Pt基催化剂虽然具有最高的氧还原活性,但使用Pt电极会增加DMFC的制作成本,同时Pt基催化剂的抗甲醇性能较差。因此制备出催化活性高、成本低并有抗甲醇能力的催化剂有着重大意义。本文采用微波等离子化学气相沉积(MPCVD)装置,使用原位掺杂与等离子改性的方法制备出氮掺杂碳纳米管(NCNT)。进一步使用NaBH4还原法制备出AgCo_3/CNT负载型催化剂然后对其进行NH_3等离子改性。对催化剂进行TEM、Raman、XPS表征以及电化学性能分析,揭示了N掺杂对CNT以及AgCo_3/CNT的结构与氧还原性能的影响。在原位生长工艺中,分析了不同前驱物、不同的微波功率与酸化时间生长的NCNT的ORR性能。结果表明:(1)使用Fe/Ca作为催化剂制备的NCNT具有更复杂的结构,更高的缺陷,以及更高N含量。(2)微波功率的增加,NCNT的含N量有降低的趋势,同时NCNT中的石墨N比例越低,电化学测试结果表明低功率下生长的NCNT具有更高的ORR性能,因此得出石墨N在NCNT的ORR性能起着重要作用。(3)酸化工艺3h为最佳的酸化时间,超过3 h并不能显著提高NCNT的ORR活性。(4)所制备的NCNT具有优异的抗甲醇能力。原位生长NCNT的最佳工艺为:Fe/Ca为前驱物、400 w、酸化3 h,该工艺下生长的NCNT的起始电位为-137 mV,电子转移数为3.3。使用改性的方法制备出NCNT。结果表明:等离子改性并没有改变CNT的形貌与缺陷程度,但却成功的将N掺入CNT中。ORR测试结果表明,少量的N的掺入便可以大幅提高CNT的ORR性能。所制备的AgCo_3/CNT具有抗甲醇能力,在经过NH_3等离子改性后,AgCo_3/CNT的ORR活性发生改变,起始电位增加了38 mV,但电子转移数目降低同时极限电流密度降低到3.96 mA/cm~2。
【图文】：

图 3.1 Co-NCNT(a,b)与 Fe-NCNT(c,d)的 TEM 图片Fig.3.1 the TEM graphs of Co-NCNT(a,b) and Fe-NCNT(c,d一步精确表征所生成的囊泡状物质的结构。如图 3 进行高倍率的 TEM 表征，结果显示囊泡状物质的壳墨片层结构，而内部为中空结构。

图 3.1 Co-NCNT(a,b)与 Fe-NCNT(c,d)的 TEM 图片Fig.3.1 the TEM graphs of Co-NCNT(a,b) and Fe-NCNT步精确表征所生成的囊泡状物质的结构。如图行高倍率的 TEM 表征，结果显示囊泡状物质层结构，，而内部为中空结构。
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4;O643.36

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本文编号：2556293