基于动物毛发的氮硫共掺杂多孔碳材料制备及其氧还原电催化性能

发布时间：2017-10-26 05:28

  本文关键词：基于动物毛发的氮硫共掺杂多孔碳材料制备及其氧还原电催化性能

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【摘要】：生物质作为可再生资源,具有贮藏量大,环境友好的优点,因而被认为是合成碳材料的理想原材料。由于很多生物质除碳外还含有丰富的氮和硫,因而近些年被广泛地用作前驱体合成掺杂碳材料应用于燃料电池催化剂,表现出良好的氧还原反应(ORR)性能。因此,本文利用动物毛发作为原材料通过硬模板法、水热法制备多孔碳材料,并研究掺杂量、比表面积、孔道结构对材料性能的影响。主要内容与结论如下:(1)采用三种动物毛发(猪毛,鸡毛,头发)化学降解得到的多肽为氮、硫、碳的前驱体,氧化镁为硬模板剂,直接热处理得到氮硫共掺杂的多孔碳。实验结果表明,模板剂用量较大时得到的材料比表面积越大,性能越优异,裂解温度越高氮的掺入量越低,硫的掺入量越高,石墨化程度增大。通过对比分析,发现鸡毛为原料制备的催化剂性能最好,最佳模板剂用量比例(多肽:MgO)为1:2,热处理温度为900℃,制备的多孔氮硫共掺杂碳材料比表面积为493.0 m2 g-1,在碱性条件下,ORR起始电位、半波电位和峰电位,均接近商用Pt/C催化剂,动力学电流密度为3.83 mA cm-2,且经过3000循环后电流保持率为89.8%,优于Pt/C催化剂(76.5%)。(2)采用鸡毛降解得到的多肽粉末作为有机配体,硝酸锌为络合剂,经过水热反应,制备得到金属有机配位聚合物(MOCP-Zn)作为中间体,直接热处理中间体得到氮硫共掺杂多孔碳(NSC)。结果表明,优化得到的NSC-3.5材料比表面积达到828.9 m2g-1,在酸碱性条件下均表现出优异的ORR催化活性、抗甲醇渗透性和稳定性,尤其是在酸性条件下活性接近商用Pt/C催化剂,峰电位为0.34 V,转移电子数为3.98,3000圈后仍维持100%的电流保持率,展现出其在质子交换膜燃料电池领域的应用前景。实验证实,NSC-3.5的ORR催化性能优异得益于较高的吡啶氮和石墨氮的总量、高比表面积、丰富的孔结构。此外,论文还揭示了生物质经络合反应和生物矿化作用生成氮硫共掺杂碳材料的生长机理,为废弃生物质制备大比表面积的非金属掺杂生物碳材料提供了新的方法。
【关键词】：燃料电池 氧还原反应 生物炭 氮硫共掺杂 比表面积 孔结构
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ127.11
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 引言11-16
• 1.1.1 燃料电池及阴极催化剂简介11-13
• 1.1.2 单掺杂碳材料阴极催化剂13-14
• 1.1.3 共掺杂或多掺杂碳材料阴极催化剂14-15
• 1.1.4 非金属掺杂碳材料阴极催化剂的挑战与展望15-16
• 1.2 生物质制备碳材料的方法16-20
• 1.2.1 水热碳化法（HTC）16-18
• 1.2.1.1 高温水热碳化法17
• 1.2.1.2 低温水热碳化法17-18
• 1.2.2 活化法18-20
• 1.2.2.1 物理活化法18-19
• 1.2.2.2 化学活化法19-20
• 1.3 多孔碳材料的制备20-26
• 1.3.1 微孔碳材料的制备21-23
• 1.3.1.1 无序微孔碳材料的制备21-22
• 1.3.1.2 有序微孔碳材料的制备22-23
• 1.3.2 介孔碳材料的制备23-25
• 1.3.2.1 无序介孔碳材料的制备23-24
• 1.3.2.2 有序介孔碳材料的制备24-25
• 1.3.3 大孔碳材料的制备25-26
• 1.4 本课题的研究目的和内容26-27
• 第二章 实验部分27-32
• 2.1 实验试剂和仪器27-28
• 2.1.1 实验试剂27-28
• 2.1.2 实验仪器28
• 2.2 碳材料催化剂的表征28-30
• 2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）29
• 2.2.2 透射电子显微镜（TEM）29
• 2.2.3 X射线光电子能谱（XPS）29
• 2.2.4 能量散射谱（EDS）29
• 2.2.5 拉曼表征（Raman）29
• 2.2.6 比表面积表征（BET）29-30
• 2.2.7 元素分析30
• 2.2.8 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）30
• 2.2.9 X射线衍射（XRD）30
• 2.3 催化剂的电催化性测试30-32
• 2.3.1 电极的制备30-31
• 2.3.2 催化剂的电催化性能测试31-32
• 2.3.2.1 循环伏安法（CV）31
• 2.3.2.2 线性伏安扫描法（LSV）31
• 2.3.2.3 表观电子转移数和动力学电流的计算31-32
• 第三章 以氧化镁为模板剂的氮硫共掺杂多孔碳材料的制备及其氧还原性能32-46
• 3.1 氮硫共掺杂多孔碳材料的制备32-33
• 3.2 氮硫共掺杂多孔碳材料的表征33-39
• 3.2.1 氮硫共掺杂多孔碳材料的结构表征33-37
• 3.2.2 氮硫共掺杂多孔碳材料的成分及含量表征37-39
• 3.3 氮硫共掺杂多孔碳材料的氧还原性能39-45
• 3.3.1 氮硫共掺杂多孔碳材料的循环伏安曲线及极化曲线39-41
• 3.3.2 氮硫共掺杂多孔碳材料的电子转移数及动力学电流测定41-43
• 3.3.3 氮硫共掺杂多孔碳材料的稳定性能测试及抗甲醇性能43-45
• 3.4 结论45-46
• 第四章 以硝酸锌为络合剂的氮硫共掺杂多孔碳材料的制备及其氧还原性能46-67
• 4.1 氮硫共掺杂大比表面积多孔碳材料的制备46-47
• 4.1.1 鸡毛的降解46-47
• 4.1.2 金属有机配位聚合物的制备47
• 4.1.3 热处理前驱体47
• 4.2 氮硫共掺杂大比表面积多孔碳材料的表征47-51
• 4.2.1 氮硫共掺杂大比表面积多孔碳材料的结构表征47-49
• 4.2.2 氮硫共掺杂大比表面积多孔碳材料的成分及含量表征49-51
• 4.3 氮硫共掺杂大比表面积多孔碳材料的氧还原性能测试51-58
• 4.3.1 氮硫共掺杂大比表面积多孔碳材料的循环伏安测试及极化曲线测试51-52
• 4.3.2 氮硫共掺杂碳絮的电子转移数及动力学电流测定52-54
• 4.3.3 残留Zn的作用分析54-55
• 4.3.4 氮硫共掺杂大比表面积多孔碳材料的抗甲醇性能及稳定性55-58
• 4.4 氮硫共掺杂碳絮的生长机理58-65
• 4.4.1 生长机理解释58-61
• 4.4.2 生长机理验证61-65
• 4.5 结论65-67
• 结论67-69
• 参考文献69-80
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果80-81
• 致谢81-82
• 附件82

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