非金属掺杂与磺化碳纳米管的制备、表征与氧还原电催化性能
发布时间:2017-05-26 00:07
本文关键词:非金属掺杂与磺化碳纳米管的制备、表征与氧还原电催化性能,由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】:碳纳米管具有规整的结构以及特殊的电子性能,因此碳管在燃料电池氧还原电催化剂方面表现出了良好的应用前景。研究表明,对碳纳米管进行非金属掺杂(N、P、B、I、S等)或者化学修饰可以很好地调整碳管的表面电子结构,增加活性中心的数量,从而提高碳管的氧还原电催化活性、催化剂在燃料电池中的稳定性以及耐CO或者甲醇中毒能力,同时可以有效地降低催化剂成本。因此,本文通过对碳纳米管进行硫氮共掺杂、磷氮共掺杂和磺化处理,,来研究掺杂以及化学处理对碳管氧还原电催化性能的影响。 首次采用直接热分解掺氮碳纳米管(N-CNTs)和硫磺混合物,制备了硫氮共掺杂碳纳米管(SN-CNTs)。实验结果显示,相比N-CNTs,SN-CNTs在酸性和碱性条件下都具有增强的氧还原电催化活性。SN-CNTs在酸性溶液中的表观电子转移数n为3.42,比N-CNTs的(2.88)高;在碱性溶液中,SN-CNTs的n为4,与商用Pt-C催化剂的一致,同时高于N-CNTs(3.83)的值。相比商用铂碳催化剂,SN-CNTs显示出更优异的电催化活性,更好的耐甲醇渗透性能和长久的稳定性。此外,大多数研究出的非金属掺杂电催化剂只在碱性条件下显示出良好的电催化活性,本文中制备出的SN-CNTs突破了碱性条件的限制,在酸性溶液中也具有优异的氧还原电催化性能,显示出了良好的应用前景。 采用化学气相沉积法、直接热分解法、水热法等方法,制备出了掺磷、掺氮和磷氮共掺杂碳纳米管,并系统地考察了制备方法、前驱物的量和种类对掺杂碳纳米管在酸性和碱性条件下氧还原性能的影响。实验表明,在酸性和碱性溶液体系中,氧还原反应的机理不同,元素之间的相互作用也不相同,导致了不同制备条件下得到的催化剂在酸碱体系中电催化性能不同。 采用硫酸磺化法制备了磺化阵列碳纳米管,对其进行了不同温度下氨化处理,研究了磺化和高温热处理对阵列碳管氧还原电催化活性的影响,明显提高了阵列碳纳米管的电催化氧还原性能。 本文制备了一系列非金属掺杂与和磺化修饰碳纳米管,研究了酸碱条件下的氧还原电催化性能,为探索替代贵金属铂的新型纳米碳催化剂提供了实验基础与方法,加深了对氧还原机理的认识。
【关键词】:碳纳米管 非金属掺杂 低温燃料电池 氧还原反应 电催化
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:O613.71;TB383.1
【目录】:
- 摘要5-6
- Abstract6-10
- 第一章 绪论10-28
- 1.1 引言10-15
- 1.1.1 碳纳米管的结构10-11
- 1.1.2 碳纳米管的性质11
- 1.1.3 碳纳米管的制备11-14
- 1.1.4 碳纳米管的应用14-15
- 1.2 低温燃料电池工作原理及研究现状15-19
- 1.2.1 低温燃料电池的工作原理16-17
- 1.2.2 低温燃料电池的发展优势17-18
- 1.2.3 低温燃料电池发展面临的问题18-19
- 1.3 氧还原电催化剂的发展19-26
- 1.3.1 氧还原电催化的原理20-21
- 1.3.2 氧还原电催化剂的分类21-26
- 1.3.2.1 铂基催化剂21-22
- 1.3.2.2 非铂基催化剂22-26
- 1.3.3 氧还原电催化剂面临的问题26
- 1.4 本课题的研究目的和主要内容26-28
- 第二章 实验部分28-33
- 2.1 实验试剂和仪器28-29
- 2.1.1 实验试剂28-29
- 2.1.2 实验仪器29
- 2.2 碳材料催化剂的表征29-31
- 2.2.1 扫描电子显微镜(SEM)30
- 2.2.2 透射电子显微镜(TEM)30
- 2.2.3 X 射线光电子能谱(XPS)30
- 2.2.4 电子能量损失谱(EELS)30
- 2.2.5 能量散射谱(EDS)30
- 2.2.6 电子探针显微分析(EPMA)30-31
- 2.2.7 拉曼光谱表征(Raman)31
- 2.2.8 比表面积表征(BET)31
- 2.3 催化剂的电催化性能测试31-33
- 2.3.1 电极的制备31
- 2.3.2 催化剂的电催化性能测试31-33
- 2.3.2.1 循环伏安法(CV)31-32
- 2.3.2.2 线性伏安扫描法(LSV)32
- 2.3.2.3 表观电子转移数的计算32-33
- 第三章 硫氮共掺杂碳纳米管的制备、表征及氧还原性能研究33-52
- 3.1 硫氮共掺杂碳纳米管的制备33-34
- 3.1.1 氮掺杂碳纳米管的制备33
- 3.1.2 硫氮共掺杂碳纳米管的制备33-34
- 3.1.3 工作电极的制备34
- 3.2 硫氮共掺杂碳纳米管的表征34-40
- 3.2.1 硫氮共掺杂碳纳米管的结构表征34-36
- 3.2.2 硫氮共掺杂碳纳米管成分和含量的表征36-40
- 3.3 硫氮共掺杂碳纳米管的氧还原性能测试40-50
- 3.3.1 硫氮共掺杂碳纳米管的循环伏安测试40-44
- 3.3.2 硫氮共掺杂碳纳米管的表观电子转移数的测定44-48
- 3.3.3 硫氮共掺杂碳纳米管的稳定性测试48-50
- 3.4 硫氮共掺杂碳纳米管的氧还原电催化机理讨论50
- 3.5 结论50-52
- 第四章 磷氮共掺杂碳纳米管的制备、表征及氧还原性能研究52-68
- 4.1 磷氮共掺杂碳纳米管的制备52-54
- 4.1.1 磷掺杂碳纳米管的制备52-53
- 4.1.2 氮掺杂碳纳米管的制备53
- 4.1.3 磷氮共掺杂碳纳米管的制备53-54
- 4.1.4 工作电极的制备54
- 4.2 磷氮共掺杂碳纳米管的表征54-58
- 4.3 磷氮共掺杂碳纳米管的氧还原性能测试58-66
- 4.3.1 单掺杂碳纳米管的氧还原性能测试58-61
- 4.3.2 磷氮共掺杂碳纳米管的氧还原性能测试61-66
- 4.3.2.1 不同方法制备的磷氮共掺杂碳纳米管的氧还原性能测试61-65
- 4.3.2.2 单掺杂和磷氮共掺杂碳纳米管的氧还原性能对比65-66
- 4.4 结论66-68
- 第五章 磺化阵列碳纳米管的制备、表征及氧还原性能研究68-78
- 5.1 磺化阵列碳纳米管的制备68-69
- 5.1.1 阵列碳纳米管的制备68
- 5.1.2 磺化阵列碳纳米管的制备68-69
- 5.1.3 磺化普通碳纳米管的制备69
- 5.1.4 工作电极的制备69
- 5.2 磺化阵列碳纳米管的表征69-72
- 5.2.1 磺化阵列碳纳米管的结构表征69-71
- 5.2.2 磺化阵列碳纳米管成分和含量的表征71-72
- 5.3 磺化阵列碳纳米管的氧还原性能测试72-76
- 5.3.1 磺化阵列碳纳米管的循环伏安测试72-75
- 5.3.2 磺化阵列碳纳米管的稳定性测试75-76
- 5.4 磺化阵列碳纳米管的氧还原电催化机理讨论76-77
- 5.5 结论77-78
- 结论78-80
- 参考文献80-89
- 攻读硕士学位期间取得的研究成果89-90
- 致谢90-91
- 附件91
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 冉洪波,李兰兰,李莉,魏子栋;质子交换膜燃料电池催化剂的研究进展[J];重庆大学学报(自然科学版);2005年04期
2 张瑜;;直接甲醇燃料电池[J];应用化工;2009年05期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 何海燕;碳纳米管的结构缺陷与表面修饰的理论研究[D];中国科学技术大学;2008年
本文关键词:非金属掺杂与磺化碳纳米管的制备、表征与氧还原电催化性能,由笔耕文化传播整理发布。
本文编号:395328
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教材专著