二维纳米材料表面改性及其在电催化中的应用研究

发布时间：2017-08-27 12:19

  本文关键词：二维纳米材料表面改性及其在电催化中的应用研究

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【摘要】：随着科学技术的发展,电化学成为了解决当前世界能源危机和环境污染的一个重要手段。在常规的电极反应中,氢的析出反应,氧的还原反应以及甲醇氧化反应是电解水制氢和燃料电池等清洁化工能源技术中的重要电极反应。贵金属铂对三种反应都有着优越的催化性能。但是,由于铂的资源匮乏等因素一直制约着电解制氢和燃料电池的应用。随着近年来纳米材料的兴起,二维纳米材料以其独特的物理化学性质,以及优异的自结构为能源领域设计开发新型材料带来了新的方向。本文旨在通过对制约电化学催化剂性能的因素进行分析,以二维纳米材料本身的性质作为出发点来对二维纳米材料的表面进行调控设计,达到提高催化剂的催化性能从而实现高效的电化学能源转换与能源储存。作者主要通过缺陷工程和元素掺杂对硫化钼和石墨烯进行了系统化的优化提升,获得了高性能的氧还原反应,氢析出反应和甲醇氧化催化剂。本论文对二维纳米材料的功能化设计与研究为未来设计和制备高性能的电化学催化剂提供了新思路。本文主要包括以下三个方面的内容：(1)二硫化钼作为一种较为理想的氢析出反应的半导体催化剂,理论研究表明,二硫化钼的氢析出反应催化的活性位点主要集中在其层边缘位置的不饱和硫原子上面。基于这方面的考虑,作者首次利用低温等离子体对二硫化钼薄膜电极进行缺陷化和氧掺杂处理。利用氩气等离子体成功制备了富缺陷结构的硫化钼材料,材料的富缺陷结构使得材料的活性位点明显增加。另外氧气等离子体对硫化钼的氧掺杂使得材料的导电性得到了增加。经氩气和氧气等离子体处理之后的二硫化钼薄膜电极的催化性能得到了明显的提升。这种利用等离子体对材料进行缺陷化和掺杂的方法为未来催化剂的设计和性能优化提供了导向。(2)基于石墨烯边缘碳原子相比面上碳原子具有更高的氧还原反应催化性能的认识,作者利用高温氩气等离子体首次设计并成功制备了富缺陷的非掺杂石墨烯。本论文中制备的石墨烯的主要特点在于,在刻蚀的过程只有表层的石墨烯被刻蚀暴露出了足够的边缘位置,该方法也保持了石墨烯完好的整体结构。利用高温等离子体使得材料本身保持了良好的导电性,同时充分利用了材料的结构使得石墨烯暴露了充分的活性位点。经过高温等离子体的处理,这种新型的富缺陷石墨烯表现出了优异的氧还原电催化性能。相比传统的掺杂等方法也有明显的性能优势。同时,论文中同时还利用碳纳米管和石墨做为辅助材料,验证了高温等离子体在对非金属碳材料在氧还原催化剂改性中的普遍适用性。(3)铂金属作为甲醇电催化氧化的理想催化剂之一,其价格以及抗毒化能力一直制约其发展。在实际的催化剂制备过程中,由于石墨烯本身的化学惰性使得铂纳米颗粒难以附着在石墨烯表面以及发生团聚等问题制约着石墨烯在铂纳米颗粒的基底方面的应用。本文中利用一步水热法成功制备了掺氮石墨烯负载铂金属纳米颗粒作为高性能的甲醇氧化催化剂材料。相比未掺杂的石墨烯负载的铂纳米颗粒,该方法制备的石墨烯负载的铂纳米颗粒与材料作用力强、分散度好且具有较小的颗粒尺寸。同时,电化学性能也显示,掺氮石墨烯负载的铂纳米颗粒具有更好的催化活性和抗毒化性能。本文中,利用一步水热法的方法方便直接,对以后设计类似催化剂具有一定意义。
【关键词】：二维纳米材料 氢析出反应 氧还原反应 甲醇氧化反应
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;O643.36;O646
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 引言11
• 1.2 二维纳米材料在电化学领域中的研究进展11-17
• 1.2.1 二维纳米材料简介11-13
• 1.2.2 二维纳米材料特点13-14
• 1.2.3 二维纳米材料制备策略14-15
• 1.2.4 二维纳米材料在电化学领域中的优势及调控手段15-17
• 1.3 二维纳米材料在电催化中的应用17-26
• 1.3.1 二硫化铝在氢析出反应中的应用17-20
• 1.3.2 石墨烯在氧还原反应中的应用20-23
• 1.3.3 石墨烯作为纳米铂载体在甲醇氧化中的应用23-26
• 1.4 本论文的选题背景和研究内容26-27
• 第2章 等离子体功能化二硫化钼薄膜电极用于高效的电催化析氢反应27-40
• 2.1 引言27-28
• 2.2 实验部分28-29
• 2.2.1 二硫化钼薄膜电极的制备及等离子体处理过程28-29
• 2.2.2 二硫化钼薄膜电极的物理表征与电化学测试29
• 2.3 分析与讨论29-38
• 2.3.1 二硫化钼薄膜电极的物理表征29-34
• 2.3.2 二硫化钼薄膜电极的电化学电化学性能测试与分析34-38
• 2.3.3 二硫化铝薄膜电极稳定性测试38
• 2.4 本章小结38-40
• 第3章 富缺陷、非掺杂石墨烯用于氧还原反应电催化40-53
• 3.1 引言40-41
• 3.2 实验部分41-42
• 3.2.1 石墨烯的制备及等离子体处理过程41
• 3.2.2 等离子体处理石墨烯的物理表征与电化学测试41-42
• 3.3 结果与讨论42-52
• 3.3.1 等离子体处理的石墨烯的物理表征42-46
• 3.3.2 等离子体处理的石墨烯的电化学性能测试与分析46-50
• 3.3.3 论计算50-51
• 3.3.4 等离子体处理的石墨烯的稳定性和抗毒性测试51-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 氮掺杂石墨烯负载铂纳米颗粒催化甲醇电氧化53-62
• 4.1 引言53-54
• 4.2 实验部分54-55
• 4.2.1 掺氮石墨烯负载铂纳米颗粒的制备54-55
• 4.2.2 掺氮石墨烯负载铂纳米颗粒的物理表征与电化学测试55
• 4.3 分析与讨论55-61
• 4.3.1 掺氮石墨烯负载铂纳米颗粒的物理表征55-58
• 4.3.2 掺氮石墨烯负载铂纳米颗粒电化学性能测试与分析58-60
• 4.3.3 掺氮石墨烯负载铂纳米颗粒的稳定性测试60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 结论62-64
• 参考文献64-75
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录75-77
• 致谢77

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本文编号：745544