碳基纳米材料的设计合成及其电催化性质的研究
本文选题:碳基纳米材料 切入点:掺杂 出处:《苏州大学》2016年硕士论文
【摘要】:随着经济的高速发展,全球对于能源的消耗也日益增加。但是,传统能源绝大多数是不可再生的,并在使用过程中会对环境造成污染。因此,人们迫切希望找到能够替代传统化石燃料的可再生清洁能源。电化学的主要研究内容是电能和化学能之间的转换,它能够为解决能源问题提供一些可行的途径。碳基纳米材料因拥有十分优异的物理、化学性质,在生物传感器和电化学等领域具有广泛的应用前景。在本文中,我们通过简单的化学方法合成了三种不同的碳基纳米材料,包括具有多孔形态的三元(氮,磷,硼)共掺杂纳米碳材料(NPBC),碳量子点(CQDs)、SnO_2和Co_3O_4的复合物以及CQDs和MoS_2复合物,并研究了它们的电催化性质及催化机理。主要工作内容如下:(1)通过调控初始磷酸和硼酸加入量,采用一步热解法合成了一系列具有多孔形态的三元(氮,磷,硼)共掺杂纳米碳材料(NPBC),并将它们作为电催化剂用于催化氧还原反应(ORR)。实验结果表明当P和B的初始原料摩尔比为3:7时,该催化剂(标记为NPBC-2)表现出最佳催化活性。通过透射电镜,扫描电镜和氮气吸附脱附测试证明了该三元掺杂材料具有膜状多孔结构,并且其比表面积达到89.5 m~2·g~(-1)。电化学测试结果表明:在0.1 M的KOH溶液中,该多元掺杂碳基催化剂(NPBC-2)的ORR催化性能明显高于单掺杂(NC)和二元掺杂催化剂(NPC或者NBC),体现在较正的初始电位(-0.11V vs SCE),长时间的稳定性和极好的抗甲醇毒化能力。(2)通过简单水热法合成了一系列碳量子点(CQDs),二氧化锡(SnO_2)和四氧化三钴(Co_3O_4)的复合物,并将它们应用于催化水氧化反应。电化学测试结果表明:Sn和Co初始摩尔比为1:3的复合物(记为CQDs/SnO_2-Co_3O_4)表现出了最佳催化活性。在碱性介质中,相较于单独的Co_3O_4或SnO_2-Co_3O_4催化剂,该CQDs/SnO_2 Co_3O_4催化剂表现出了更负的起始电位(~0.56 V),大的电流密度和良好的稳定性。进一步的研究证明:CQDs在催化剂表面上有效地抑制了该复合物在碱性溶液中的溶解,使其形成了一个稳定的结构,表现出长时间的电催化稳定性。(3)利用水热法合成了不同CQDs和Mo质量比的CQDs/MoS_2复合物,并将其作为电催化剂用于催化电化学析氢反应(HER)。其中CQDs/Mo质量比为1.13%的CQDs/MoS_2复合物具有最佳HER催化活性。CQDs/MoS_2在经可见光光照处理30分钟后(记为CQDs/MoS_2-L30),其电催化析氢性能明显优于未经光处理的CQDs/MoS_2催化剂。CQDs/MoS_2-L30高效的HER催化活性主要表现在:在0.5 M的H_2SO_4溶液中,具有较小的过电势(当电流密度为10mA cm~(-2)时,过电势为~0.125V),大的电流密度,较小的塔菲尔值(45 mV/decade)和长时间的稳定性。综合红外光谱和X射线光电子能谱分析,CQDs/MoS_2-L30具有极好HER催化性能主要归因于高效的电子传输效率,S~(4+)数量的减少及S_2~(2-)和S~(2-)量的增多。
[Abstract]:With the rapid development of economy, the global energy consumption is increasing day by day. However, most of the traditional energy sources are non-renewable and will pollute the environment in the process of use. People are eager to find renewable and clean energy sources that can replace traditional fossil fuels. The main study of electrochemistry is the conversion between electricity and chemical energy. Because of its excellent physical and chemical properties, carbon based nanomaterials have a wide range of applications in biosensors and electrochemistry. We have synthesized three different kinds of carbon based nanomaterials by simple chemical method, including the ternary (nitrogen, phosphorus, boron) co-doped carbon materials with porous morphology, the carbon quantum dots (CQDs), the complexes of Co_3O_4 and SnO2, and the complexes of CQDs and MoS_2. Their electrocatalytic properties and catalytic mechanism are studied. The main work is as follows: (1) A series of porous ternary (nitrogen, phosphorus) have been synthesized by one step pyrolysis by controlling the initial phosphoric acid and boric acid addition. The results show that when the initial molar ratio of P and B is 3:7, they are used as electrocatalysts for catalytic oxygen reduction reaction. The catalyst (labeled NPBC-2) showed the best catalytic activity. The results of transmission electron microscopy, scanning electron microscopy and nitrogen adsorption and desorption test showed that the ternary doped material had a porous membrane structure. The specific surface area is 89.5 m ~ 2 g ~ (-1) 路L ~ (-1). The electrochemical test results show that in 0.1 M KOH solution, the specific surface area is 89.5 m ~ 2 g ~ (-1) ~ (-1). The ORR catalytic performance of the multicomponent doped carbon based catalyst (NPBC-2) is obviously higher than that of mono-doped ORR and binary doped catalyst, which is reflected in the positive initial potential of -0.11V vs SCEN, long time stability and excellent methanol-resistant ability. A series of complexes of carbon quantum dots (CQDsO), tin dioxide (Sno _ 2) and Cobalt _ 2O _ (3) O _ (4) have been synthesized by hydrothermal method. The electrochemical measurements showed that the complexes with the initial molar ratio of 10: Sn and Co at 1:3 (denoted as CQDsS / SnO _ 2-Co3O4) exhibited the best catalytic activity. In alkaline medium, compared with the single Co_3O_4 or SnO_2-Co_3O_4 catalysts, The catalyst exhibited a more negative initial potential of 0.56V ~ (-1), high current density and good stability. Further studies have shown that the solution of the complex in alkaline solution is effectively inhibited by the presence of the CQDs/SnO_2 / CQDs on the surface of the catalyst. A stable structure was formed, showing a long time electrocatalytic stability. (3) CQDs/MoS_2 complexes with different mass ratios of CQDs and Mo were synthesized by hydrothermal method. The CQDs/MoS_2 complex with 1.13% CQDs/Mo has the best HER catalytic activity. CQDs / MoS2 was treated by visible light for 30 minutes (CQDsP MoS2-L30C). The catalytic activity of CQDs/MoS_2 catalyst. CQDsr / MoSs-L30, which is superior to that of untreated HER catalyst, is as follows: in 0.5 M H_2SO_4 solution, the catalytic activity of CQDs / Mos / MOS _ 2-L30 is as follows: 1. The overpotential is 0.125 V ~ (-1) when the current density is 10mA / cm ~ (-2), and the current density is large, and the overpotential is 0.125 V ~ (-1), and the overpotential is 0.125 V ~ (-1). Combined with infrared spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy, the excellent catalytic performance of CQDsMoS2-L30 is mainly attributed to the decrease in the number of highly efficient electron transport efficiency and the increase of S2P and S2-2).
【学位授予单位】:苏州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O643.36;TB383.1
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 杜仕国,施冬梅,邓辉;纳米材料的特异效应及其应用[J];自然杂志;2000年02期
2 ;纳米材料 新世纪的黄金材料[J];城市技术监督;2000年10期
3 ;什么是纳米材料[J];中国粉体技术;2000年05期
4 邹超贤;纳米材料的制备及其应用[J];广西化纤通讯;2000年01期
5 吴祖其;纳米材料[J];光源与照明;2000年03期
6 ;纳米材料的特性与应用方向[J];河北陶瓷;2000年04期
7 沈青;纳米材料的性能[J];江苏陶瓷;2000年01期
8 李良训;纳米材料的特性及应用[J];金山油化纤;2000年01期
9 刘冰,任兰亭;21世纪材料发展的方向—纳米材料[J];青岛大学学报(自然科学版);2000年03期
10 刘忆,刘卫华,訾树燕,王彦芳;纳米材料的特殊性能及其应用[J];沈阳工业大学学报;2000年01期
相关会议论文 前10条
1 王少强;邱化玉;;纳米材料在造纸领域中的应用[A];'2006(第十三届)全国造纸化学品开发应用技术研讨会论文集[C];2006年
2 宋云扬;余涛;李艳军;;纳米材料的毒理学安全性研究进展[A];2010中国环境科学学会学术年会论文集(第四卷)[C];2010年
3 ;全国第二届纳米材料和技术应用会议[A];纳米材料和技术应用进展——全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集(上卷)[C];2001年
4 钟家湘;葛雄章;刘景春;;纳米材料改造传统产业的实践与建议[A];纳米材料和技术应用进展——全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集(上卷)[C];2001年
5 高善民;孙树声;;纳米材料的应用及科研开发[A];纳米材料和技术应用进展——全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集(上卷)[C];2001年
6 ;全国第二届纳米材料和技术应用会议[A];纳米材料和技术应用进展——全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集(下卷)[C];2001年
7 金一和;孙鹏;张颖花;;纳米材料的潜在性危害问题[A];中国毒理学通讯[C];2001年
8 张一方;吕毓松;任德华;陈永康;;纳米材料的二种制备方法及其特征[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年
9 古宏晨;;纳米材料产业化重大问题及共性问题[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集(上卷)[C];2003年
10 马玉宝;任宪福;;纳米科技与纳米材料[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集(上卷)[C];2003年
相关重要报纸文章 前10条
1 记者 周建人;我国出台首批纳米材料国家标准[N];中国建材报;2005年
2 记者 王阳;上海形成纳米材料测试服务体系[N];上海科技报;2004年
3 ;纳米材料七项标准出台[N];世界金属导报;2005年
4 通讯员 韦承金邋记者 冯国梧;纳米材料也可污染环境[N];科技日报;2008年
5 廖联明;纳米材料 利弊皆因个头小[N];健康报;2009年
6 卢水平;院士建议开展纳米材料毒性研究[N];中国化工报;2009年
7 郭良宏 中国科学院生态环境研究中心研究员 江桂斌 中国科学院院士;纳米材料的环境应用与毒性效应[N];中国社会科学报;2010年
8 记者 任雪梅 莫璇;中科院纳米材料产业园落户佛山[N];佛山日报;2011年
9 实习生 高敏;纳米材料:小身材涵盖多领域[N];科技日报;2014年
10 本报记者 李军;纳米材料加速传统行业升级[N];中国化工报;2013年
相关博士学位论文 前10条
1 杨杨;功能化稀土纳米材料的合成及其生物成像应用[D];复旦大学;2014年
2 王艳丽;基于氧化钛和氧化锡纳米材料的制备及其在能量存储中的应用[D];复旦大学;2014年
3 吴勇权;含铕稀土纳米材料的功能化及其生物成像应用研究[D];复旦大学;2014年
4 曹仕秀;二硫化钨(WS_2)纳米材料的水热合成与光吸收性能研究[D];重庆大学;2015年
5 廖蕾;基于功能纳米材料的电化学催化研究[D];复旦大学;2014年
6 胥明;一维氧化物、硫化物纳米材料的制备,,功能化与应用[D];复旦大学;2014年
7 李淑焕;纳米材料亲疏水性的实验测定与计算预测[D];山东大学;2015年
8 范艳斌;亚细胞水平靶向的纳米材料的设计、制备与应用[D];复旦大学;2014年
9 丁泓铭;纳米粒子与细胞相互作用的理论模拟研究[D];南京大学;2015年
10 骆凯;基于金和石墨烯纳米材料的生物分子化学发光新方法及其应用[D];西北大学;2015年
相关硕士学位论文 前10条
1 向芸颉;卟啉纳米材料的制备及其应用研究[D];重庆大学;2010年
2 刘武;层状纳米材料/聚合物复合改性沥青的制备与性能[D];华南理工大学;2015年
3 刘小芳;基于纳米材料/聚合膜材料构建的电化学传感器应用于生物小分子多组分的检测[D];西南大学;2015年
4 王小萍;基于金纳米材料构建的电化学传感器及其应用[D];上海师范大学;2015年
5 郭建华;金纳米材料的修饰及其纳米生物界面的研究[D];河北大学;2015年
6 魏杰;普鲁士蓝纳米粒子的光热毒性研究[D];上海师范大学;2015年
7 张华艳;改性TiO_2纳米材料的制备及其光电性能研究[D];河北大学;2015年
8 胡雪连;基于纳米材料的新型荧光传感体系的构筑[D];江南大学;2015年
9 黄樊;氧化钴基催化材料形貌、晶面控制与催化性能研究[D];昆明理工大学;2015年
10 周佳林;新型核壳结构金纳米材料用于肿瘤的近红外光热治疗研究[D];浙江大学;2015年
本文编号:1676538
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/1676538.html