生物源前体制备掺氮碳材料及其在电催化反应中的应用

发布时间：2017-09-18 12:03

  本文关键词：生物源前体制备掺氮碳材料及其在电催化反应中的应用

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【摘要】：催化剂是燃料电池的最重要组成部分。然而,燃料电池不能实现商业化,其主要原因是使用铂催化剂所引起的成本高昂、稳定性不佳的问题。因此,研究成本低、活性高的催化剂是实现燃料电池商业化的必然选择。目前,燃料电池催化剂的研究主要集中在发展新型催化剂以降低或者替代铂基催化剂。其中,掺氮碳材料是近几年来研究的热点。而采用来源丰富、可再生的生物源材料制备掺氮碳材料方面的研究相对较少。本论文主要用生物源前驱体对碳材料进行改性或直接制备含氮碳材料,将其用作催化剂载体或非贵金属催化剂,并应用于醇类催化氧化或氧还原反应中。采用拉曼(Raman)、X射线粉衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X光电子能普(XPS)等技术对制备的材料进行了结构表征。采用循环伏安(CV)、线性扫描(LSV)、计时电流(CA)等电化学方法对催化剂催化醇类氧化和氧还原反应的活性进行了评估。具体包括三个部分:第一部分碳化邻菲罗啉修饰碳载体负载Pd_3Ni纳米粒子作为高性能催化剂催化甲醇氧化为使掺氮碳载体材料与合金的优势结合在一起,通过直接碳化邻菲罗啉和碳粉混合物,得到掺氮碳材料(PMC),并用其负载Pd_3Ni纳米粒子。制备得到的Pd_3Ni/PMC催化剂应用于催化甲醇氧化反应(MOR)。采用XRD、TEM、XPS测试手段对Pd_3Ni/PMC进行了结构表征。由于氮修饰的碳载体以及与Pd形成合金的Ni的作用,电化学测试表明,与Pd/C和Pd/PMC相比较,Pd_3Ni/PMC在催化甲醇氧化时表现出优异的催化活性和稳定性。研究动力学发现,Pd_3Ni/PMC催化反应的活化能仅仅是Pd/C的一半。第二部分核黄素制备掺氮碳载体负载钯应用于乙二醇氧化反应以生物源材料核黄素作氮源,将核黄素用硫酸初步碳化,然后通过加热碳化得到掺氮碳材料负载Pd纳米粒子(Pd/R-C)。结构表征表明,由于载体中氮原子的引入,有效地改善了Pd纳米粒子的粒径和分散性。Pd/R-C用于催化碱性介质中的乙二醇氧化(EGOR)发现,该催化剂具有优异的活性和稳定性。进一步对Pd/R-C催化剂在不同温度,不同扫速以及不同的电解质中对EGOR反应的影响及相关催化反应机理也进行了讨论。第三部分壳聚糖制备掺氮碳基催化剂及其在氧还原反应中的应用以价廉易得的生物源物质壳聚糖作氮源,酚醛树脂作碳源。碳化两者的混合物,通过酸处理后得到一系列不同碳氮比例的碳基催化剂CN(m:n)并直接应用于催化碱性介质中的氧还原反应(ORR)。ORR性能测试表明,催化剂CN(2:7)表现出最好的催化活性。与商业Pt/C相比,CN(2:7)拥有较好的稳定性以及较强的抗甲醇中毒能力。对应的,采用Raman、XRD、氮气吸脱附(BET)、扫描电镜(SEM)、XPS等测试手段对CN(2:7)进行了结构表征。这说明以壳聚糖为氮源制备的CN(2:7)有望取代铂基催化剂,成为应用于燃料电池中的新型ORR催化剂。
【关键词】：燃料电池 电催化剂 掺氮 生物源碳材料
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ426;TM911.4
【目录】：

• 中文摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 文献综述12-38
• 1.1 引言12-13
• 1.2 掺氮碳材料概述13-17
• 1.2.1 常用的掺氮方法13-16
• 1.2.2 掺氮的存在形态16-17
• 1.3 常见的掺氮碳材料17-24
• 1.3.1 掺氮碳粉17-18
• 1.3.2 掺氮碳纳米管18-19
• 1.3.3 掺氮石墨烯19-21
• 1.3.4 掺氮介孔碳21-22
• 1.3.5 掺氮气凝胶碳材料22-24
• 1.4 生物源掺氮碳材料24-26
• 1.5 本论文的研究背景及研究内容26-29
• 参考文献29-38
• 第二章 碳化邻菲罗啉修饰碳载体负载Pd_3Ni纳米粒子作为高性能催化剂催化甲醇氧化38-54
• 2.1 引言38
• 2.2 实验部分38-41
• 2.2.1 试剂与原料38-39
• 2.2.2 实验相关仪器39-40
• 2.2.3 催化剂的制备40-41
• 2.2.4 测量方法41
• 2.3 结果与讨论41-49
• 2.3.1 Pd_3Ni/PMC催化剂的制备41-42
• 2.3.2 物理表征42-45
• 2.3.3 电化学性能测试45-49
• 2.4 结论49-50
• 参考文献50-54
• 第三章 核黄素制备掺氮碳载体负载钯应用于乙二醇氧化反应54-68
• 3.1 引言54
• 3.2 实验部分54-56
• 3.2.1 试剂与原料54-55
• 3.2.2 实验相关仪器55
• 3.2.3 催化剂的制备55
• 3.2.4 测量方法55-56
• 3.3 结果与讨论56-62
• 3.3.1 物理表征56-58
• 3.3.2 电化学测试58-62
• 3.4 结论62-63
• 参考文献63-68
• 第四章 壳聚糖制备氮掺杂碳基催化剂及其在氧还原催化中的应用68-82
• 4.1 引言68-69
• 4.2 实验部分69-71
• 4.2.1 试剂与原料69
• 4.2.2 实验相关仪器69-70
• 4.2.3 催化剂的制备70
• 4.2.4 测量方法70-71
• 4.3 结果与讨论71-78
• 4.3.1 电化学测试71-74
• 4.3.2 物理表征74-78
• 4.4 结论78-79
• 参考文献79-82
• 发表论文及申请专利82-84
• 致谢84

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本文编号：875407