基于氧还原和氧析出反应的氮磷双掺杂碳负载钴基氧化物的制备及性能研究
发布时间：2021-03-26 06:54
不断加深的能源和环境危机加速了人们迫切发展低成本、便携式、高可靠新能源技术的需求。可逆燃料电池和可逆金属-空气电池具有价格低廉、环境清洁和能量密度高等优势,被认为是很有前景的能源转化器件。但是,氧电极上氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的缓慢速率限制了这些器件的快速稳定提供电能。铂、钌双电催化剂分别对ORR和OER表现出较高的电催化活性,但其地球储量稀缺、价格昂贵及循环稳定性差等缺点限制了它们的实际应用。因此,开发廉价、高效的双功能催化剂对于推动可逆燃料电池和可逆金属-空气电池的实际应用具有极其重要意义。为了构建高效的非贵金属双功能电催化剂,本论文工作利用NaCl模板法,以乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）和植酸（PA）作为碳源、氮源和磷源,合成了氮、磷双掺杂多孔结构碳负载氧化钴的兼具ORR和OER催化活性的双功能电催化剂。通过调节EDTA-2Na和PA的比例调控碳载体的多孔结构及其ORR电催化性能;通过金属钴离子与EDTA-2Na和PA的共同络合实现纳米氧化钴的均匀负载,以提升OER催化性能。本论文工作研究内容包括以下三个方面。（1）为增大催化剂的表面积、提高催化活性位点数...
【文章来源】：广西师范大学广西壮族自治区
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（A）可再生燃料电池和（B）金属-空气电池的示意图
广西师范大学硕士学位论文2Ru）来进行高效转化，然而，贵金属基电催化剂昂贵的成本、有限的储量和较差的稳定性，使其无法用于大规模的商业应用。[10]此外，用于ORR反应中的Pt基电催化剂，其甲醇耐受性极差。因为其在催化过程中容易产生CO来与Pt的活性位点相结合，使Pt基电催化剂的活性随着时间的推移，而变得极其不稳定，从而降低了其催化ORR反应的能力。因此，为了显着降低成本并实现可持续发展，研究人员极力于开发稳定、高活性、低成本的非贵金属电催化剂，以使非贵金属电催化剂完全替代贵金属电催化剂。图1.2燃料电池和金属-空气电池所需的金属氧电催化剂Fig.1.2Metaloxygenelectrocatalystsrequiredforelectrochemicalenergystoragedevices1.2电催化反应机理1.2.1氧还原反应机理氧还原反应（ORR），指的是在溶液中氧气被还原成氢氧根OH-的过程，科研人员仍然没有获得ORR反应机理的明确结论。，氧还原反应被认为是一个复杂的多步电子转移过程，主要通过两种反应路径进行，即四电子（4e-）反应路径和两电子（2e-）反应路径。在酸碱性不同的电解液中，ORR的反应机理也各不相同，其具体反应路径如下所示：1、在酸性电解液中（1）四电子（4e-）反应路径O2+4H++4e-→2H2O（E=1.229V）(1.1)（2）两电子（2e-）反应路径O2+2H++2e-→H2O2（E=0.7V）(1.2)H2O2+2H++2e-→2H2O（E=1.76V）(1.3)
嗔诘穆芬姿辜钚蕴荚?邮堑?粼犹疾牧现械牡绱呋疧RR中心，而不是吡啶氮本身。最近两年，Zhao等人[86]设计、合成了一种具有三明治碳层结构的氮掺杂碳基催化剂。由于吡啶氮具有高活性、可掺杂进入碳材料的缺陷位点和边缘位点的特点，石墨烯基底上的超薄多孔碳层具有丰富的缺陷和边缘位点，该研究采用超薄多孔碳层引入了高含量的吡啶氮，可高温原位气化的锌原子来构筑碳层的多孔结构，石墨烯基底提供化学稳定性和电子传输能力。使得该催化剂在酸性和碱性电解质中均具有与商业化贵金属基催化剂相当或更优异的ORR、OER性能。图1.3不同含氮官能团的结构和结合能Fig.1.3Structureandbindingenergyofdifferentnitrogen-containingfunctionalgroups（2）非氮杂原子掺杂碳催化剂除了氮原子外，其他杂原子（例如：P、S、B等）掺杂的纳米碳材料也被广泛研究。由于这些杂原子（例如：B=2.04和P=2.19）与碳原子（2.55）电负性之间的差异，当这些杂原子掺杂进入碳骨架中时，可能使相邻的碳原子极化，从而形成带正负电的中心，促进了氧还原反应的催化过程。对于不同原子的尺寸和电负性差异，使用不同的杂原子进行掺杂会产生不同的效果。对于碳原子而言，磷和硫原子具有更大的原子半径和更小的电负性，磷和硫掺杂都可使碳骨架中产生缺陷位点，从而更易于容纳氧气分子的孤对电子，促
本文编号：3101170
【文章来源】：广西师范大学广西壮族自治区
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（A）可再生燃料电池和（B）金属-空气电池的示意图
广西师范大学硕士学位论文2Ru）来进行高效转化，然而，贵金属基电催化剂昂贵的成本、有限的储量和较差的稳定性，使其无法用于大规模的商业应用。[10]此外，用于ORR反应中的Pt基电催化剂，其甲醇耐受性极差。因为其在催化过程中容易产生CO来与Pt的活性位点相结合，使Pt基电催化剂的活性随着时间的推移，而变得极其不稳定，从而降低了其催化ORR反应的能力。因此，为了显着降低成本并实现可持续发展，研究人员极力于开发稳定、高活性、低成本的非贵金属电催化剂，以使非贵金属电催化剂完全替代贵金属电催化剂。图1.2燃料电池和金属-空气电池所需的金属氧电催化剂Fig.1.2Metaloxygenelectrocatalystsrequiredforelectrochemicalenergystoragedevices1.2电催化反应机理1.2.1氧还原反应机理氧还原反应（ORR），指的是在溶液中氧气被还原成氢氧根OH-的过程，科研人员仍然没有获得ORR反应机理的明确结论。，氧还原反应被认为是一个复杂的多步电子转移过程，主要通过两种反应路径进行，即四电子（4e-）反应路径和两电子（2e-）反应路径。在酸碱性不同的电解液中，ORR的反应机理也各不相同，其具体反应路径如下所示：1、在酸性电解液中（1）四电子（4e-）反应路径O2+4H++4e-→2H2O（E=1.229V）(1.1)（2）两电子（2e-）反应路径O2+2H++2e-→H2O2（E=0.7V）(1.2)H2O2+2H++2e-→2H2O（E=1.76V）(1.3)
嗔诘穆芬姿辜钚蕴荚?邮堑?粼犹疾牧现械牡绱呋疧RR中心，而不是吡啶氮本身。最近两年，Zhao等人[86]设计、合成了一种具有三明治碳层结构的氮掺杂碳基催化剂。由于吡啶氮具有高活性、可掺杂进入碳材料的缺陷位点和边缘位点的特点，石墨烯基底上的超薄多孔碳层具有丰富的缺陷和边缘位点，该研究采用超薄多孔碳层引入了高含量的吡啶氮，可高温原位气化的锌原子来构筑碳层的多孔结构，石墨烯基底提供化学稳定性和电子传输能力。使得该催化剂在酸性和碱性电解质中均具有与商业化贵金属基催化剂相当或更优异的ORR、OER性能。图1.3不同含氮官能团的结构和结合能Fig.1.3Structureandbindingenergyofdifferentnitrogen-containingfunctionalgroups（2）非氮杂原子掺杂碳催化剂除了氮原子外，其他杂原子（例如：P、S、B等）掺杂的纳米碳材料也被广泛研究。由于这些杂原子（例如：B=2.04和P=2.19）与碳原子（2.55）电负性之间的差异，当这些杂原子掺杂进入碳骨架中时，可能使相邻的碳原子极化，从而形成带正负电的中心，促进了氧还原反应的催化过程。对于不同原子的尺寸和电负性差异，使用不同的杂原子进行掺杂会产生不同的效果。对于碳原子而言，磷和硫原子具有更大的原子半径和更小的电负性，磷和硫掺杂都可使碳骨架中产生缺陷位点，从而更易于容纳氧气分子的孤对电子，促
本文编号：3101170
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