基于类水滑石的纳米复合物及其在双功能氧电极中的催化应用

发布时间：2017-10-15 19:54

  本文关键词：基于类水滑石的纳米复合物及其在双功能氧电极中的催化应用

  更多相关文章： 析氧反应 氧还原反应 双功能催化剂 类水滑石

【摘要】：随着气候的不断恶化和化石资源的持续消耗,探索与发展新型清洁能源已成为当今社会重要的科学话题。能源转换与贮存过程中的氧电极反应,即氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER),是制约燃料电池和电解水技术发展的瓶颈之一,为此人们不断探求着高效的氧电极反应催化材料。类水滑石(LDH)又称层状双金属氢氧化物,具有双金属种类可调性、层间阴离子可交换性和结构记忆等特性。基于这些特性,本论文分别使用原位生长法、煅烧复原法和静电组装法,将LDH分别与石墨烯、氮化碳复合制备了基于LDH的纳米复合催化剂,并研究了它们在氧电极反应中的双功能催化性能。主要内容如下:1.水热条件下,通过在反向胶束内给予碱源和金属盐,实现了NiFe-LDH在氧化石墨烯(GO)基底上的原位生长,经移除模板和还原处理,得到了类球状的还原GO-LDH,记做rGO-LDH;其中rGO作为导电基底,可显著增强复合物的导电能力;该催化剂修饰电极的OER起始过电位仅为240 mV,与贵金属RuO2催化剂所得值相当,当电位为1.530 V时,电流密度高达32.388 mA/cm2,其ORR起始电位约为0.796 V,极限扩散电流约为-3.845 mA/cm2,在甲醇混合液中,其电流密度损失不足10%。2.还原条件下,将氮化碳(C3N4)纳米片组装在GO-LDH复合物上,得到了表面粗糙度显著增大的氮掺杂的rGO-LDH,记为NG-LDH;其中rGO可显著增强复合物的导电能力,氮掺杂造成的结构缺陷,不但增大了复合物的比表面积,还赋予其一定的ORR催化能力;该催化剂修饰电极的OER起始过电位为256 mV,虽然相较于未氮掺杂的rGO-LDH催化剂增加了16 mV,但在1.530 V时,其电流密度高达42.636 mA/cm2,是纯NiFe-LDH的9倍,远高于未掺杂的rGO-LDH(32.388 mA/cm2),其ORR起始电位正移至0.853 V,半波电位约为0.802 V,显著高于传统层状材料,在甲醇混合液中,其电流密度损失不足8%。3.将CoFe-LDH的煅烧产物于GO的水溶液中复原,在还原条件下进行氮掺杂,得到了具有一定结构缺陷的氮掺杂rGO/LDH,记为NG/LDH;该复合物中LDH六角片呈多方向铺展状,C3N4纳米片组装在rGO薄片和LDH纳米片上,增大了比表面积,而rGO增强了催化剂的导电能力;该催化剂修饰电极的OER起始过电位约为244 mV,在1.530 V时其电流密度约为14.371 mA/cm2,是纯CoFe-LDH的7倍,其ORR极限扩散电流密度高达-5.222 mA/cm2,接近于20 wt%的Pt/C修饰电极,在甲醇混合液中,能够维持原有的ORR电流强度。4.在甲酰胺中,NiFe-LDH纳米片与GO片层通过静电引力自组装为GO-LDH,再将氨基离子液体(NH2-IL)共价修饰在GO上,得到了离子液体修饰GR-LDH,记做IL-GR-LDH;NH2-IL的共价修饰不但增强了复合物的分散稳定性和亲水能力,还改善了催化剂的导电能力;该催化剂修饰电极的OER起始过电位约为282mV,在1.530 V时其电流密度约5.998 mA/cm2,是纯NiFe-LDH的5倍,其ORR起始电位正移至0.742 V,半波电位为0.661 V,在甲醇混合液中,其电流密度下降不足0.08%。
【关键词】：析氧反应 氧还原反应 双功能催化剂 类水滑石
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-28
• 1.1 立体背景、意义及主要研究内容10
• 1.2 双功能氧催化简介10-16
• 1.2.1 双功能氧电极简介10-11
• 1.2.2 双功能氧电极反应简介11-13
• 1.2.3 双功能氧电极反应催化剂研究和评价方法13-14
• 1.2.4 常用双功能氧电极反应催化剂14-16
• 1.3 类水滑石材料简介16-19
• 1.3.1 类水滑石简介16-17
• 1.3.2 类水滑石材料的制备方法17-18
• 1.3.3 类水滑石材料的应用18-19
• 1.4 化学修饰石墨烯简介19-23
• 1.4.1 石墨烯简介19-20
• 1.4.2 化学修饰石墨烯的方法20-22
• 1.4.3 化学修饰石墨烯的应用22-23
• 1.5 氮化碳简介23-28
• 1.5.1 氮化碳的结构特性23-24
• 1.5.2 氮化碳的剥离方法24-26
• 1.5.3 氮化碳的应用26-28
• 第二章 软模板法制备石墨烯-类水滑石复合物及其电催化性能28-46
• 2.1 实验部分28-31
• 2.1.1 试剂与仪器28-29
• 2.1.2 催化剂的制备29-30
• 2.1.3 双功能氧电极的制作30
• 2.1.4 双功能氧电极催化性能测试条件30-31
• 2.2 结果与讨论31-44
• 2.2.1 催化剂的结构表征31-36
• 2.2.2 催化剂OER电催化性能的表征36-40
• 2.2.3 催化剂ORR电催化性能的表征40-44
• 2.3 小结44-46
• 第三章 氮掺杂石墨烯-类水滑石复合物及其电催化性能46-59
• 3.1 实验部分46-47
• 3.1.1 试剂与仪器46
• 3.1.2 催化剂的制备46
• 3.1.3 双功能氧电极的制作46
• 3.1.4 双功能氧电极催化性能测试条件46-47
• 3.2 结果与讨论47-57
• 3.2.1 催化剂的结构表征47-49
• 3.2.2 催化剂OER电催化性能的表征49-53
• 3.2.3 催化剂ORR电催化性能的表征53-57
• 3.3 小结57-59
• 第四章 煅烧复原法制备石墨烯-类水滑石复合物及其电催化性能59-68
• 4.1 实验部分59-60
• 4.1.1 试剂与仪器59
• 4.1.2 催化剂的制备59
• 4.1.3 双功能氧电极的制作59
• 4.1.4 双功能氧电极催化性能测试条件59-60
• 4.2 结果与讨论60-67
• 4.2.1 催化剂的结构表征60-62
• 4.2.2 催化剂OER电催化性能的表征62-64
• 4.2.3 催化剂ORR电催化性能的表征64-67
• 4.3 小结67-68
• 第五章 离子液体功能化石墨烯-类水滑石复合物及其电催化性能68-76
• 5.1 实验部分68-69
• 5.1.1 试剂与仪器68
• 5.1.2 催化剂的制备68-69
• 5.1.3 双功能氧电极的制作69
• 5.1.4 双功能氧电极催化性能测试条件69
• 5.2 结果与讨论69-74
• 5.2.1 催化剂的结构表征69-70
• 5.2.2 催化剂OER电催化性能的表征70-72
• 5.2.3 催化剂ORR电催化性能的表征72-74
• 5.3 小结74-76
• 结论76-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-83
• 攻读硕士学位期间已发表或待发表的论文目录83-84

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