基于氮掺杂碳材料的电化学性能研究

发布时间：2017-09-03 06:05

  本文关键词：基于氮掺杂碳材料的电化学性能研究

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【摘要】：根据近几年社会的全速发展,我国的化石能源已经严重短缺,超级电容器和燃料电池由于其价格低廉、高比能量、高功率密度、长循环寿命、应用范围广泛的优点得到了研究工作者的热切重视。而电催化剂在超级电容器阳极反应和燃料电池的阴极反应-氧还原反应(ORR)中占据了决定性地位。到目前为止,最有效的催化剂是Pt及其合金,但是它们的高成本、交叉效应和耐用性差的缺点严重限制其广泛的商业化。因此,寻找与Pt有着可比较或更优越的催化性能和商业可用性的非贵金属甚至不含金属的催化剂吸引了工业和学术研究者的巨大关注。近些年来,高导电性、低成本、循环寿命长的碳材料作为替代Pt及其合金的电催化剂已经成为人们研究的热点。例如,石墨烯、碳纳米管已在超级电容器、燃料电池和化学/生物传感等方面展现出了巨大的应用前景。本论文的主要研究工作如下:(1)以石墨烯、氧化处理的碳纳米管和氨水为原料,在180℃下采用一锅水热法制备了氮掺杂石墨烯-碳纳米管复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)表征了所制备的催化剂N-GOx@CNTsy的形貌和组成,通过循环伏安(CV)、重力充放电(GCD)测试研究了催化剂N-GOx@CNTsy在碱性电解质中超电容性能。结果表明:水热法不仅没有破坏碳纳米管、石墨烯的结构,而且还成功制得分散均匀的氮掺杂石墨烯-碳纳米管复合材料。催化剂N-GO1@CNTs2展示出最好的超电容性能,比未处理的碳纳米管、石墨烯高出几十倍。(2)以碳纳米管、多巴胺、三羟甲基氨基甲烷(tris)为原料,采用高温热处理法制备了氮掺杂碳纳米管(N-CNTs)。通过SEM、TEM和XPS考察了所制备的催化剂N-CNTs的表面形貌和组成,使用CV、旋转圆盘电极(RDE)和旋转环盘电极(RRDE)测定了催化剂N-CNTs在碱性电解质中氧气还原性能及其抗甲醇氧化性能。结果表明:热处理法制备的样品分散均匀,并且经过高温煅烧碳纳米管的结构没有被破坏;并且成功地在碳纳米管表面包覆了一层薄薄地薄膜,很好地解决了碳纳米管分散性差的难题;验证了900℃和多巴胺浓度2mg/mL为最佳热处理温度和最佳包覆浓度;2mg/m L N-CNTs-900展现了一个接近4e转移过程、良好的稳定性和抗甲醇氧化性,说明2mg/m L N-CNTs-900良好的氧气还原性能。(3)以碳纳米管、多巴胺、无水三氯化铁(FeCl3)、三羟甲基氨基甲烷(tris)为原料,采用高温热处理法制备了氮掺杂碳量子点(N-CQDs)。通过TEM、SEM和XPS测试考察了所制备的催化剂N-CQDs的表面形貌和组成,使用TGA测试分析了无水氯化铁和碳纳米管的反应机理,使用CV、旋转圆盘电极(RDE)和旋转环盘电极(RRDE)测定了催化剂N-CQDs在碱性电解质中氧气还原性能及其抗甲醇氧化性能。结果表明:通过热处理法成功制备了氮掺杂碳量子点;当无水氯化铁与碳纳米管的质量比为2:1时,N-CQDs展示出最佳的氧气还原性能;而且N-CQDs展现了一个接近4e转移过程、良好的稳定性和抗甲醇氧化性,说明N-CQDs有着与Pt/C相媲美的氧气还原性能。
【关键词】：超电容 水热法 氧气还原 多巴胺 氮掺杂碳量子点
【学位授予单位】：湖南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 文献综述14-25
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 纳米碳材料的概述15-16
• 1.2.1 碳纳米管的结构15-16
• 1.3 超级电容器16-18
• 1.3.1 超级电容器的介绍16-17
• 1.3.2 超级电容器的优缺点17-18
• 1.4 燃料电池概述18-20
• 1.4.1 燃料电池简介18
• 1.4.2 燃料电池的优缺点18-19
• 1.4.3 燃料电池的基本结构和工作原理19-20
• 1.5 燃料电池阴极催化剂概述20-21
• 1.5.1 燃料电池阴极催化剂介绍20
• 1.5.2 ORR反应机理20
• 1.5.3 Pt催化剂介绍20-21
• 1.6 掺杂碳材料作为氧还原催化剂的研究进展简介21-22
• 1.7 聚多巴胺修饰固体材料表面的介绍22-23
• 1.8 本课题的立题依据、意义及主要内容23-25
• 1.8.1 立题依据及意义23-24
• 1.8.2 课题研究的主要内容24-25
• 第二章 一锅法制备氮掺杂碳纳米管-石墨烯复合材料及其超电容性能25-38
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验部分26-30
• 2.2.1 仪器与试剂26-27
• 2.2.2 催化剂的制备27-29
• 2.2.3 催化剂形貌与结构表针及其电化学性能研究29-30
• 2.3 结果与讨论30-37
• 2.3.1 催化剂的形貌表征30-31
• 2.3.2 催化剂的超电容性能表征31-33
• 2.3.3 催化剂的拉曼光谱表征33-34
• 2.3.4 催化剂的XRD表征34-35
• 2.3.5 催化剂的红外光谱表征35-36
• 2.3.6 催化剂的XPS表征36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第三章 氮掺杂碳纳米管的制备及其氧气还原性能研究38-52
• 3.1 引言38-39
• 3.2 实验部分39-42
• 3.2.1 仪器和试剂39-40
• 3.2.2 溶液的介绍和配置40-42
• 3.3 结果与讨论42-52
• 3.3.1 催化剂的形貌表征42-43
• 3.3.2 温度对催化剂的氧化还原性能的影响43-44
• 3.3.3 多巴胺浓度对催化剂的氧化还原性能的影响44-45
• 3.3.4 催化剂的旋转圆盘电极测试45-48
• 3.3.5 催化剂的旋转环盘电极测试48-49
• 3.3.6 催化剂 2mg/mL N-CNTs-900的稳定性及抗甲醇氧化性能测试49-50
• 3.3.7 催化剂 2mg/mL N-CNTs-900的XPS测试50-51
• 3.3.8 本章小结51-52
• 第四章 氮掺杂碳量子点的制备及其氧气还原性能研究52-66
• 4.1 引言52-53
• 4.2 实验部分53-56
• 4.2.1 仪器和试剂53-54
• 4.2.2 溶液的介绍和配置54-56
• 4.3 结果与讨论56-66
• 4.3.1 催化剂的形貌表征56-58
• 4.3.2 催化剂的CV测试58-59
• 4.3.3 催化剂的RDE测试59-61
• 4.3.4 不同催化剂的RDE对比61-62
• 4.3.5 催化剂的稳定性及抗甲醇氧化性能表征62-63
• 4.3.6 催化剂氮掺杂碳量子点（N-CQDs）的TGA表征63-64
• 4.3.7催化剂氮掺杂碳量子点（N-CQDs）的XPS表征64-65
• 4.3.8 本章小结65-66
• 第五章 结论66-68
• 参考文献68-75
• 附录75-76
• 致谢76

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本文编号：783259