多孔碳材料的结构调控、功能化及电催化应用研究

发布时间：2018-04-04 05:36

  本文选题：电催化　切入点：多级孔碳　出处：《东北师范大学》2017年博士论文

【摘要】：多孔碳材料是一种有高电子传输能力、大比表面积、高机械强度且形貌和结构灵活多变的新型碳材料。多孔碳的特点完全契合电催化反应对催化剂电子/物质传输速度快、催化活性位点密度大以及催化稳定性高的要求。对涉及气体产物生成的电化学反应(如析氧反应(OER)和析氢反应(HER)),多级孔碳材料中开放的大孔结构还能促进生成的气泡迅速脱离电极表面,提升催化剂的催化能力和长期稳定性。将多级孔碳材料进行靶向功能化,能够得到一系列有高电催化活性的新型电催化剂,在可持续新能源转换装置、电化学储能装置以及电化学传感器等领域有相当大的应用前景。本文文献综述介绍了多孔碳材料的分类、制备方法、功能化改进方法以及功能化的多孔碳材料在电化学领域的应用。本论文中使用不同的合成方法对多孔碳材料的结构进行调控,辅以特殊的功能化改性,得到一系列有高电催化活性的碳基复合材料催化剂,这些催化剂分别对ORR、HER、OER或葡萄糖氧化表现出优异的催化活性。本论文主要包括以下几部分:(1)软模板法合成一系列的Co和N共掺杂的洋葱状介孔碳囊泡(Co-NMCVs)作为非贵金属催化剂。优化前驱体中Co的含量制备得到的Co10-NMCV催化剂具有高的比表面积、大的孔容量以及表面高度分散的Co-N-C活性位点。Co10-NMCVs催化剂在酸性和碱性条件下均表现出优异的ORR催化活性,相比于商业Pt/C催化剂还表现出更好的稳定性和更好的抗甲醇干扰能力。(2)在石墨烯氧化物(GO)、大孔碳(MPC)、介孔的碳囊泡(MVCs)以及有序介孔碳(OMC)表面原位生长Co3O4或CoP纳米颗粒以研究碳载体的结构对活性位点分散能力以及碳基复合材料催化剂电催化活性的影响。得益于OMC开放的介孔结构、大的比表面积、更多的缺陷位点,Co3O4-OMC和CoP-OMC表面分散的Co3O4和Co P纳米颗粒有更小的粒径和更高的分散度。由于较高的物质传输速率、高的电子转移速率以及更多暴露的活性位点,Co3O4-OMC表现出更高的葡萄糖氧化检测效率,而CoP-OMC则表现出优秀的HER电催化活性以及长期稳定性。(3)煅烧纸巾-Fe(AC)_2-Co(AC)_2混合物前驱体可以制备一种新型的多级孔碳催化剂。优化浸渍液中Fe(AC)2/Co(AC)2比例后得到的Fe0.5Co0.5-N/PCs拥有大量的3D介孔-大孔型多级孔结构、较大的比表面积和大量的碳边缘缺陷位点。其表面还分散着大量的M-N-C、N-C以及CoFe@C活性位点。Fe0.5Co0.5-N/PCs在碱性条件下催化ORR表现出典型的4电子路径,OER催化中有更小的E10值。(4)煅烧中空的柳絮、氯化铁和三聚氰胺均匀混合的前驱体直接煅烧后可以在PCF的内外表面生长大量的碳纳米管(CNTs),制备得到介孔-大孔多级孔碳复合材料(Fe/N/CNT@PCF)。得益于Fe/N/CNT@PCF优秀的电子传导能力、丰富的物质传输通道以及内外壁表面分散的大量活性中心(Fe-N-C、N-C和Fe@C),其表现出优秀的ORR催化活性以及优于商业Pt/C的抗甲醇干扰能力和催化稳定性。在PCFs内外壁生长大量竹叶状的CuO NRs还能制备出一种新型的CuO NR@PCF催化剂。CuO NR@PCF在催化葡萄糖氧化和检测中表现出极高的效率。(5)使用静电纺丝的方法先将PVA-H3PO4-Fe(AC)_2的DMF-H_2O混合溶液纺成由细长纤维编织的3D网状薄膜前驱体。在煅烧的过程中H3PO4充当P源和造孔剂。优化前驱体中的H3PO4使用量以及前驱体的煅烧温度后,得到的Fe/P/C0.5-800结构中有大量介孔-大孔型多级孔结构、大的比表面积以及高分散密度的碳边缘点/缺陷位点。其表面还分散着大量Fe-P键、P-C键、Fe3C@C结构单元等活性位点。将Fe/P/C0.5-800用于催化ORR/HER/OER,其表现出极高的电催化活性以及长期稳定性。(6)PVP-Fe(AC)_2-Co(AC)_2-DMF混合溶液通过静电纺丝技术纺成由细长纤维编织的3D网状薄膜前驱体。优化前驱体中Fe(AC)2和Co(AC)2的比例以及前驱体的煅烧温度后,我们合成了一种由功能化的多孔碳纳米片原位组装成的花状多孔碳基复合材料Fe0.5Co0.5@NC/NCNS。Fe0.5Co0.5@NC/NCNS拥有介孔-大孔型的多级孔结构、较大的比表面积、较多的缺陷位点,表面还分散着大量的M-N-C和FeCo@NC电催化活性中心。将Fe0.5Co0.5@NC/NCNS用于全水分解电催化,表现出极高的催化活性以及优秀的水分解长期稳定性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.4;O643.36
，

本文编号：1708593