碳氮纳米材料的制备及其在氧还原反应中的应用

发布时间：2017-12-19 07:32

  本文关键词：碳氮纳米材料的制备及其在氧还原反应中的应用

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【摘要】：当前,能源的短缺及其大量消耗、环境的严重污染和国家经济的可持续发展所带来的巨大压力,促使人们不断地开发新型的可再生能源。燃料电池正是一种具有较高能源利用率而又不污染环境的新型绿色能源。然而,其关键的阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢,且需要储量稀缺和成本高昂的贵金属Pt及其合金作为催化剂,这大大阻碍了燃料电池的进一步发展和实际商业化应用。因此,本文选择阴极氧还原电催化剂为研究对象,从催化剂的催化活性、稳定性和制备成本三方面考虑,开发新型的高性能电催化剂,主要研究以下内容:(1)本文以氮化钛(TiN)为助剂,与炭黑(XC-72R)形成复合性载体,通过水热和氮化处理相结合的方法制备了Pd-TiN/C纳米电催化剂。通过X-射线衍射仪(XRD),透射电镜(TEM)和X-射线光电子能谱分析(XPS)等表征手段,对催化剂的形貌结构和组成元素进行表征。结果表明:TiN/C纳米复合载体更有利于Pd金属颗粒的均匀分散。通过对其电化学性能测试,Pd-TiN/C催化剂相比于Pd/C拥有更高的ORR催化活性和稳定性,这主要是因为TiN能够与表面负载的Pd颗粒发生电子作用,改变Pd原子表面电子结构,同时金属纳米颗粒与催化剂载体间的强相互作用,产生协同催化效应,降低Pd的溶解和团聚,提高了其在酸性介质中的ORR催化效果。(2)本文选取类石墨相氮化碳(g-C_3N_4)、醋酸钴(Co(OAc)2·4H2O)和单壁碳纳米角(SWCNHs)为氮源、金属源和催化剂载体,通过高温热解的方法合成(M-Nx/C)非贵金属氧还原催化剂。制备的Co-g-C_3N_4/SWCNHs电催化剂,通过X-射线衍射仪(XRD),拉曼光谱(Raman),透射电镜(TEM)和X-射线光电子能谱分析(XPS)等手段对其进行进一步表征。其结果表明,经过高温处理后,SWCNHs独特“大丽花”结构保存完好,且活性物种能够在载体上均匀分散,相应的元素映射也证明了Co、N两种元素是均匀分布于载体之上。和Co-g-C_3N_4/C相比,Co-g-C_3N_4/SWCNHs催化剂对阴极ORR的催化活性显著提高,经过1200圈CV的稳定性测试,Co-g-C_3N_4/SWCNHs催化剂的电流密度仅下降了19%。其较高ORR催化活性主要归因于:催化剂中含有更多稳定且高分散的Co-Nx活性位点和较高比例的吡啶氮。同时Co-g-C_3N_4和SWCNHs的相互协同作用,提高了催化剂在碱性电解液中的稳定性。(3)本文以四氯化碳(CCl_4)和乙二胺(EDA)为碳源和氮源,分子筛(SBA-15)为模板剂,制备介孔碳氮材料(MCN)作为载体,负载金属Ag制备Ag/MCN电催化剂。通过X-射线衍射仪(XRD),透射电镜(TEM)和氮吸附/解析分析仪(BET)表征手段,证明了MCN介孔结构的生成,随后负载金属Ag,其结构仍然保存完好。通过电化学测试,我们发现Ag(20%)/MCN电催化剂对ORR的催化活性和稳定性明显高于Ag(20%)/C,这主要是因为较大比表面积、均匀孔道结构和导电性良好的MCN作为载体能够均匀分散Ag活性位,增加活性位点的数量,且介孔结构有利于质量的传递、分子的扩散及反应过程中电子的转移,进而提高ORR反应动力学。和Pt(20%)/C催化剂相比,Ag(20%)/MCN电催化剂的生产成本更低,制备方法简单,是一个很好的阴极催化剂,可应用于燃料电池。但Ag(20%)/MCN与MCN相比较,ORR催化活性并没有达到更为明显的提高,这可能是因为金属Ag本身活性不高且Ag负载掩盖了MCN部分活性位,且可能造成部分孔道的堵塞,阻碍了活性物质和电子的传递。
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36

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本文编号：1307349