大比表面积C基电催化剂的设计与性能研究
发布时间：2021-03-30 09:54
随着不可再生能源的日益枯竭,经济快速发展与能源危机之间的矛盾日益加剧,探寻可持续的高效能源成为未来社会发展的重要任务之一。金属—空气电池的负极为活泼金属（锂、镁、铝和锌等）,正极为空气（氧气）,通过金属被氧化、空气（氧气）被还原的电极反应,将化学能转变成电能,具有环境友好、无毒、比能量密度高、轻便等优点,是一种极具应用前景的高效能源。然而,金属—空气电池能量转换系统中,正极缓慢的氧还原反应严重降低了电池转换效率,阻碍了电池的发展。催化剂可加快氧还原反应电极过程,提高电池转换效率,对于金属—空气电池开发应用具有重要意义。铂族金属及其合金具有优异的氧还原催化性能,但是其储量有限,价格昂贵,无法满足日益增加的市场需求。碳材料具有大比表面积,结构易裁制、导电性好、稳定性高,来源广泛且价格低廉等优势,在非贵金属氧还原催化剂开发应用中占据重要的地位。本论文以石墨烯和有序介孔碳（CMK-3）两种构型的碳材料为基体,通过化学掺杂法和超声辐射法分别制备N,S掺杂型的碳基催化剂以及石墨烯负载合金纳米粒子型催化剂。论文通过考察掺杂源、成分配比、温度等因素对样品氧还原催化性能的影响规律,探讨影响样品催化性能的...
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：112 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２氧还原反应机理【５Ｉ??Ｆｉｇ．?１．２?Ｏｘｙｇｅｎ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｒｅａｃｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ??
为Ｃ??源和Ｎ源，制备Ｎ－ＯＭＣ催化剂，其中Ｎ－ＯＭＣ－８００?（８００为热处理温度）在０．１?ｍｏｌ／Ｌ??的ＫＯＨ溶液中的催化性能接近Ｐｔ／Ｃ，且具有更好的稳定性和耐甲醇性，其吡啶Ｎ含??量较高。Ｌｏｎｇ等［５８］采用相同方法，吡咯为Ｎ源和Ｃ源，通过硬模板法制备出了??Ｎ－ＯＭＣ。实验数据分析表明，在９００?°Ｃ下热分解得到的催化剂性能超过了?Ｐｔ／Ｃ催化??剂，Ｒ中间产物出０２量少，这主要是因为在高的热解温度有利于掺杂Ｎ形成吡啶氮，??同时石墨氮加速了电荷转移。??圈。萬??图１．３碳材料掺氮元素的示意图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｎｉｔｒｏｇｅｎ?ｄｏｐｉｎｇ?ｅｌｅｍｅｎｔｓ?ｉｎ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??为了进一步提高Ｎ掺杂有序介孔Ｃ的性能，人们研宄了双元素掺杂介孔碳材料，??在Ｎ掺杂的基础上，继续引入其他杂原子，比如Ｓ等。也可往碳材料当中同时引入??Ｎ原子和Ｓ原子等，使得碳材料具有更加优良的催化性能。Ｓ原子的半径比Ｃ原子大，??且其拥有一对孤对电子，易发生极化，有助于提高碳材料的催化性能［５９１。将Ｎ原子??与Ｓ原子同时掺入碳基体材料当中，Ｓ与Ｎ原子的协同作用，可进一步提升碳材料的??催化活性和稳定性，掺杂的硫元素主要为表面型硫和边缘型硫，其掺杂位示意图如图??１．４所示。２０１６年，册３等＿以糖精作为Ｃ、Ｎ和Ｓ的前驱体，ＳＢＡ－１５作为硬模板??剂，ＦｅＣｌ３充当催化剂的角色，制备出了氮硫共掺杂的有序介孔碳材料。在ＫＯＨ电解??液中，其催化性能与Ｐｔ／Ｃ催化剂接近，并且表现出较好的稳定性和抗甲醇毒性。Ｙａｎｇ??等［６１】通过将含Ｎ和Ｓ的离子液体引入ＯＭＣ中
第一章?大比表面积Ｃ基电催化剂的设计与性能研究??ｆｔ＞＇？?？＞＞＊＆?〇■?０??图１．４碳材料掺硫元素的示意图??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ?ｄｏｐｅｄ?ｗｉｔｈ?ｓｕｌｆｕｒ??１．３．５碳纳米复合材料??将纳米金属或者金属氧化物粒子负载在碳基载体上的催化剂称为碳纳米复合材??料，其催化性能与纳米金属粒子的形态和载体材料息息相关。由章节１．３．２可知，以??Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｏ和Ｆｅ等为主的过渡族金属具有优异的催化性能，其纳米结构具有较大??的比表面积，催化性能好等优点，因此被广泛用作催化剂碳基纳米材料具有大??的比表面积，丰富的纳米孔，而且其表面容易被改性，是应用最为广泛的负载材料。??其常见的形式有以下几种：石墨烯、有序介孔碳、碳纳米管、碳量子点、富勒烯和石??墨化碳，单分散碳基材料等［６６＿６８］，不同形式的载体，制备出的复合材料的催化性能也??不相同。??讯！等＿采用石墨烯为载体，Ａｕ、Ｐｔ－Ａｕ和具有特殊空心结构的Ｐｔ－Ｎｉ合金为金属??纳米粒子，制备得到了?Ａｕ／ＧＲ、Ａｕ－Ｐｔ／ＧＲ和空心Ｐｔ－Ｎｉ／ＧＲ复合催化剂。对比这三种??催化剂的催化性能。测试结果表明，与单一?Ａｕ和Ｐｔ－Ｃｕ催化剂相比，三种石墨烯负??载的金属纳米粒子都具有优异的催化性能，并且具有空心结构的Ｐｔ－Ｎｉ／ＧＲ复合催化??剂的催化性能最佳，进一步研宄其机理可知，空心结构的Ｐｔ－Ｎｉ／ＧＲ复合催化剂具有??较高的比表面积，增大了催化活性面积。??单分散碳基材料作为载体是是近些年研究热门，单分散碳材料是一种介孔纳米微??球结构，具有较高比表面积、化学稳定性、良好
【参考文献】：
期刊论文
[1]铝空气电池研究进展[J]. 阙奕鹏,齐敏杰,史鹏飞. 电池工业. 2019(03)
[2]掺杂碳材料的制备及其负载贵金属在催化加氢反应中的应用研究进展[J]. 李康,周媛,张群峰,岑亚青,李小年. 高校化学工程学报. 2019(03)
[3]铝-空气电池的研究现状及应用前景[J]. 汪云华,任珊珊. 蓄电池. 2019(01)
[4]Co-Fe-Pd纳米粒子的可控制备及其氧还原催化性能[J]. 王婵娜,刘令,王慧华,屈天鹏,田俊,王德永,康振辉. 化工学报. 2019(01)
[5]氮掺杂石墨烯的制备及其在化学储能中的研究进展[J]. 苏香香,杨蓉,李兰,李润秋,王黎晴,雷颖. 应用化学. 2018(02)
[6]热解条件对氮杂有序介孔炭材料电催化性能的影响（英文）[J]. 龙桂发,万凯,刘明尧,李小花,梁振兴,朴金花. 催化学报. 2015(08)
[7]金属空气电池阴极氧还原催化剂研究进展[J]. 王瀛,张丽敏,胡天军. 化学学报. 2015(04)
[8]贵金属纳米粒子的常见合成方法及应用[J]. 余娟,常桥稳,谢娇,陈家林,闫智英,叶青松,姜婧,晏彩先,刘伟平. 贵金属. 2013(S1)
[9]金属-空气电池氧还原反应催化剂研究进展[J]. 黄伟国,王先友,汪形艳,杨红萍. 材料导报. 2004(10)
[10]利用沸腾床反应器制备碳纳米管[J]. 刘宝春,唐水花,高利珍,梁奇,张伯兰,瞿美臻,熊贵志,于作龙. 催化学报. 2001(02)
博士论文
[1]金属—石墨烯纳米复合催化剂的制备及在燃料电池中的应用[D]. 胡耀娟.南京师范大学 2012
硕士论文
[1]石墨制备石墨烯过程中产物三维结构及电学性能变化研究[D]. 王培草.西南科技大学 2015
[2]氮掺杂碳材料负载Pd基电催化剂的合成及其醇氧化性能研究[D]. 牛璐.河南师范大学 2015
[3]铝—空气电池阴极催化剂的制备及表征[D]. 刘臣娟.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3109319
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：112 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２氧还原反应机理【５Ｉ??Ｆｉｇ．?１．２?Ｏｘｙｇｅｎ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｒｅａｃｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ??
为Ｃ??源和Ｎ源，制备Ｎ－ＯＭＣ催化剂，其中Ｎ－ＯＭＣ－８００?（８００为热处理温度）在０．１?ｍｏｌ／Ｌ??的ＫＯＨ溶液中的催化性能接近Ｐｔ／Ｃ，且具有更好的稳定性和耐甲醇性，其吡啶Ｎ含??量较高。Ｌｏｎｇ等［５８］采用相同方法，吡咯为Ｎ源和Ｃ源，通过硬模板法制备出了??Ｎ－ＯＭＣ。实验数据分析表明，在９００?°Ｃ下热分解得到的催化剂性能超过了?Ｐｔ／Ｃ催化??剂，Ｒ中间产物出０２量少，这主要是因为在高的热解温度有利于掺杂Ｎ形成吡啶氮，??同时石墨氮加速了电荷转移。??圈。萬??图１．３碳材料掺氮元素的示意图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｎｉｔｒｏｇｅｎ?ｄｏｐｉｎｇ?ｅｌｅｍｅｎｔｓ?ｉｎ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??为了进一步提高Ｎ掺杂有序介孔Ｃ的性能，人们研宄了双元素掺杂介孔碳材料，??在Ｎ掺杂的基础上，继续引入其他杂原子，比如Ｓ等。也可往碳材料当中同时引入??Ｎ原子和Ｓ原子等，使得碳材料具有更加优良的催化性能。Ｓ原子的半径比Ｃ原子大，??且其拥有一对孤对电子，易发生极化，有助于提高碳材料的催化性能［５９１。将Ｎ原子??与Ｓ原子同时掺入碳基体材料当中，Ｓ与Ｎ原子的协同作用，可进一步提升碳材料的??催化活性和稳定性，掺杂的硫元素主要为表面型硫和边缘型硫，其掺杂位示意图如图??１．４所示。２０１６年，册３等＿以糖精作为Ｃ、Ｎ和Ｓ的前驱体，ＳＢＡ－１５作为硬模板??剂，ＦｅＣｌ３充当催化剂的角色，制备出了氮硫共掺杂的有序介孔碳材料。在ＫＯＨ电解??液中，其催化性能与Ｐｔ／Ｃ催化剂接近，并且表现出较好的稳定性和抗甲醇毒性。Ｙａｎｇ??等［６１】通过将含Ｎ和Ｓ的离子液体引入ＯＭＣ中
第一章?大比表面积Ｃ基电催化剂的设计与性能研究??ｆｔ＞＇？?？＞＞＊＆?〇■?０??图１．４碳材料掺硫元素的示意图??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ?ｄｏｐｅｄ?ｗｉｔｈ?ｓｕｌｆｕｒ??１．３．５碳纳米复合材料??将纳米金属或者金属氧化物粒子负载在碳基载体上的催化剂称为碳纳米复合材??料，其催化性能与纳米金属粒子的形态和载体材料息息相关。由章节１．３．２可知，以??Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｏ和Ｆｅ等为主的过渡族金属具有优异的催化性能，其纳米结构具有较大??的比表面积，催化性能好等优点，因此被广泛用作催化剂碳基纳米材料具有大??的比表面积，丰富的纳米孔，而且其表面容易被改性，是应用最为广泛的负载材料。??其常见的形式有以下几种：石墨烯、有序介孔碳、碳纳米管、碳量子点、富勒烯和石??墨化碳，单分散碳基材料等［６６＿６８］，不同形式的载体，制备出的复合材料的催化性能也??不相同。??讯！等＿采用石墨烯为载体，Ａｕ、Ｐｔ－Ａｕ和具有特殊空心结构的Ｐｔ－Ｎｉ合金为金属??纳米粒子，制备得到了?Ａｕ／ＧＲ、Ａｕ－Ｐｔ／ＧＲ和空心Ｐｔ－Ｎｉ／ＧＲ复合催化剂。对比这三种??催化剂的催化性能。测试结果表明，与单一?Ａｕ和Ｐｔ－Ｃｕ催化剂相比，三种石墨烯负??载的金属纳米粒子都具有优异的催化性能，并且具有空心结构的Ｐｔ－Ｎｉ／ＧＲ复合催化??剂的催化性能最佳，进一步研宄其机理可知，空心结构的Ｐｔ－Ｎｉ／ＧＲ复合催化剂具有??较高的比表面积，增大了催化活性面积。??单分散碳基材料作为载体是是近些年研究热门，单分散碳材料是一种介孔纳米微??球结构，具有较高比表面积、化学稳定性、良好
【参考文献】：
期刊论文
[1]铝空气电池研究进展[J]. 阙奕鹏,齐敏杰,史鹏飞. 电池工业. 2019(03)
[2]掺杂碳材料的制备及其负载贵金属在催化加氢反应中的应用研究进展[J]. 李康,周媛,张群峰,岑亚青,李小年. 高校化学工程学报. 2019(03)
[3]铝-空气电池的研究现状及应用前景[J]. 汪云华,任珊珊. 蓄电池. 2019(01)
[4]Co-Fe-Pd纳米粒子的可控制备及其氧还原催化性能[J]. 王婵娜,刘令,王慧华,屈天鹏,田俊,王德永,康振辉. 化工学报. 2019(01)
[5]氮掺杂石墨烯的制备及其在化学储能中的研究进展[J]. 苏香香,杨蓉,李兰,李润秋,王黎晴,雷颖. 应用化学. 2018(02)
[6]热解条件对氮杂有序介孔炭材料电催化性能的影响（英文）[J]. 龙桂发,万凯,刘明尧,李小花,梁振兴,朴金花. 催化学报. 2015(08)
[7]金属空气电池阴极氧还原催化剂研究进展[J]. 王瀛,张丽敏,胡天军. 化学学报. 2015(04)
[8]贵金属纳米粒子的常见合成方法及应用[J]. 余娟,常桥稳,谢娇,陈家林,闫智英,叶青松,姜婧,晏彩先,刘伟平. 贵金属. 2013(S1)
[9]金属-空气电池氧还原反应催化剂研究进展[J]. 黄伟国,王先友,汪形艳,杨红萍. 材料导报. 2004(10)
[10]利用沸腾床反应器制备碳纳米管[J]. 刘宝春,唐水花,高利珍,梁奇,张伯兰,瞿美臻,熊贵志,于作龙. 催化学报. 2001(02)
博士论文
[1]金属—石墨烯纳米复合催化剂的制备及在燃料电池中的应用[D]. 胡耀娟.南京师范大学 2012
硕士论文
[1]石墨制备石墨烯过程中产物三维结构及电学性能变化研究[D]. 王培草.西南科技大学 2015
[2]氮掺杂碳材料负载Pd基电催化剂的合成及其醇氧化性能研究[D]. 牛璐.河南师范大学 2015
[3]铝—空气电池阴极催化剂的制备及表征[D]. 刘臣娟.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3109319
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