一维镍碳基纳米复合材料的可控制备及催化性能研究

发布时间：2020-04-03 16:57

【摘要】：过渡金属纳米粒子具有优异的物理、化学特性,在能源、催化、环境、生物医学等领域具有广阔的应用前景,但过渡金属纳米粒子存在易团聚、易氧化等问题。碳纳米材料具有良好的电子传输能力和化学稳定性,可作为载体提高过渡金属纳米粒子的分散性和稳定性。因此,可控制备高稳定、高活性的过渡金属碳纳米复合材料成为人们研究的热点。本论文设计合成了一种新型有机分子插层的层状氢氧化物,以其作为单一前驱体,经过简单固态热解,可控制备了形貌均匀、高分散、高结晶度的一维镍碳基纳米复合材料,并研究了该材料在电解水制氢中的应用。具体研究内容如下:1、以价格低廉的水溶性无机盐硝酸镍和水杨酸钠为原料,在水溶液中自组装得到水杨酸根插层的层状氢氧化镍,以其作为前驱体,在无还原剂、模板剂条件下,经一步固态热解可控制备一维Ni@C纳米复合材料。研究前驱体组成、固相反应条件对其相貌组成、晶体结构的影响,利用SEM、HRTEM、XRD、Raman、FT-IR、XPS、TG、BET 等工具进行表征。结果表明,一维Ni@C纳米复合材料为形貌均匀的纳米棒(直径约50nm,长约2 um),Ni纳米粒子尺寸均匀(小于10 nm),高分散、高结晶度,大的比表面积(193.5m2/g),丰富的氧功能基团(-OH等),强界面相互作用(Ni-O-C)等结构特点。研究在不同热解温度下制备的一维Ni@C纳米复合材料的电催化性能,实验结果表明高温(900 ℃)制备的材料电催化活性最高,析氢过电位可低至78 mV(i=10 mA/cm2),稳定性优异。2、在层板上引入金属锌,进一步合成层状氢氧化镍锌前驱体,通过固态热解可控制备了一维镍碳基多元体系纳米复合材料。详细研究焙烧温度对其组成结构的影响,在700 ℃-800 ℃,可控制备了一维Ni3ZnC0.7/Ni@C纳米复合材料。HRTEM及XRD表明,小尺寸、高分散、高结晶度的Ni3ZnC0.7纳米粒子(约7nm)和Ni纳米粒子(约8nm)均匀镶嵌在高度石墨化的碳纳米棒(直径约40 nm)基质中。XPS和FTIR表明,碳表面存在大量羟基,使其具有亲水性,Ni3ZnC0.7、Ni、C三者之间存在较强的价键作用,化学稳定性优异。升高固相反应温度,Ni3ZnC0.7不断被热解还原为金属Ni、Zn相,其中,金属Zn起自模板构筑多孔结构的作用。降低固相反应温度,出现ZnO相,在500-600 ℃,可控制备得到一维Ni3ZnC0.7/ZnO@C纳米复合材料。在电催化性能测试中,一维Ni3ZnC0.7/Ni@C纳米复合材料电催化性能优异,析氢过电位(i=10 mA/cm2,32mV)和塔菲尔斜率(37mV/dec)均比商业Pt/C(35mV,80mV/dec)低,并具有极好的稳定性(10h测试性能保持98%以上)。同时,以可见光催化MB为探针反应考察该材料的光催化性能,结果表明具有优异的光催化活性。综上所述,本论文成功可控制备了高质量的一维镍碳基多元体系纳米复合材料,具有优异的催化性能(高活性、高稳定性),并且制备方法简单、绿色、经济,在能源、环境等领域具有重要的应用前景。
【图文】：

照片,反应机理,实验组,照片

。，要有以下几个优点：反应条件设备经济，原料易得，制备方法可控易于相沉积法，制备过程为以气体烃类为碳源、金属盐或氧化物为前驱右高温下反应得到金属碳化物。这种方法合成出来的产物纯度高、颗由于制备过程中以烃类为碳源导致设备要求高，生产过程危险，制备现大规模应用。（５）水热法，水热法又称之为热液法，其属于液相化学指的是在密封压力容器之中，使用水作为溶剂，控制温度、压力等实验的反应类型，可以将水热反应分为水热结晶、水热水解等。这一制备到的粒子晶型好且纯度高、分散性好、易于控制，生产成本便宜。使用到的粉体不需要进行烧结，因此可以烧结引起的粒子长大以及杂质混米复合材料在催化领域中的应用逡逑Ａｒ逡逑

催化还原反应,速率对,催化剂,图谱

碳＠碳纳米复合材料，通过将不同种类的碳纳米材料复合在一起，实现性能的提逡逑升。Ｗｅｎ等［３１］通过一步固态热解氯化铁和氨腈的混合物成功制备出Ｎ掺杂的碳纳米逡逑管且内部插层着石墨烯材料的碳纳米材料，如图１－１所示，经过性能测试研宄，，发现逡逑其具有优异的电催化性能。Ｋｏｎｇ等［２２］通过对氧化石墨烯进行热处理，得到的石墨烯逡逑材料，发现其在催化加氢应用方面具有很优异的性能，如图１－２所示，通过对比氧化逡逑石墨烯，热处理后的氧化石墨烯，还有经过碱和热处理的石墨烯，发现热处理后的氧逡逑化石墨烯可以有效的将有毒物质对硝基苯酚转化为对硝基苯胺，通过改变不同的实验逡逑条件，验证了羟基、烷氧基这些功能基团的存在，有利于催化性能的提升，而环氧基逡逑和羧基的存在则降低催化活性。逡逑４逡逑
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36

【参考文献】