模板法制备分级多孔碳基材料及其氧还原催化性能研究

发布时间：2017-10-08 09:41

  本文关键词：模板法制备分级多孔碳基材料及其氧还原催化性能研究

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【摘要】：为了摆脱贵金属Pt/C催化剂对燃料电池商业化的限制,多孔碳基纳米材料被广泛研究并表现出优异的催化活性、稳定性以及抗甲醇中毒的能力。目前多孔碳基纳米材料面临的主要问题是:如何开发新型廉价的前驱体以及简单高效的合成方法实现对材料微观结构以及表面组成的调控进而改善材料的电催化性能。针对上述问题,本论文选用最新发现的价格低廉、简单可控的质子盐为单一前驱体,通过模板法快速大规模制备出多元素掺杂的分级多孔碳基纳米材料。通过改变模板的种类、添加量以及热处理温度等反应条件实现了对产物形貌、孔径等微观结构和杂原子掺杂的含量和类型等表面组成的调控,并系统探究了材料的结构与组成对电催化性能的影响。具体研究内容如下:(1)以对苯二胺和硫酸为原料,通过中和反应制备出对苯二胺硫酸盐并作为单一前驱体,以SiO_2为模板快速制得三维有序大孔碳NSAC。其中,以质子盐为前驱体可以实现N/S元素的原位掺杂;改变SiO_2的尺寸、添加量和热处理温度可以改变产物的形貌、比表面积和表面掺杂状态,进而改善材料的电催化性能。研究发现:复制大尺寸SiO_2形成的连通开放结构更有利于催化活性位的暴露,使材料获得与Pt/C相近的极限电流密度和稍负的起始电位。(2)以对苯二胺硫酸盐为前驱体,FeCl_3为模板,一步热解制得二维介孔碳纳米片NSFC。通过改变FeCl_3的添加量和温度调控NSFC的片层厚度、孔径分布以及N/S/Fe元素的掺杂状态,进而探究材料结构和组成与催化性能之间的构效关系。研究发现:适量的FeCl_3可以剥离出超薄的碳纳米片,引入大量孔径均一的介孔,提高比表面积,促进反应物扩散;Fe的引入可以构筑新的活性位点Fe-Nx,最终使NSFC获得比Pt/C更正的起始电位和相当的极限电流。(3)以SiO_2和FeCl_3为双模板,与对苯二胺硫酸盐混合后一步制得组合型分级多孔碳基材料NSHC。通过改变模板的种类和添加量,探究了双模板法在调控产物微观结构和表面组成方面的独特优势。研究发现:组合了NSAC和NSFC两种结构的NSHC不仅开放程度更大,使活性位点充分暴露;而且两种结构之间具有很强的界面作用力,有利于电子转移和传输,最终使NSHC表现出完全超越Pt/C的活性和循环稳定性。
【关键词】：氧还原催化剂 质子盐 模板法 多元素掺杂 分级多孔碳
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 燃料电池阴极氧还原催化剂12-15
• 1.1.1 阴极氧还原反应的机理12-13
• 1.1.2 多孔碳基催化剂的电化学性能测试方法13-15
• 1.2 多孔碳基纳米材料15-22
• 1.2.1 多孔碳基纳米材料的形貌和结构15-17
• 1.2.2 多孔碳基纳米材料电催化性能的影响因素17-22
• 1.2.3 多孔碳基氧还原催化剂的问题与展望22
• 1.3 本论文研究的主要内容22-24
• 第二章 SiO_2为硬模板制备NSAC催化剂及其电催化性能研究24-44
• 2.1 前言24
• 2.2 实验部分24-26
• 2.2.1 原料与试剂24-25
• 2.2.2 材料制备25-26
• 2.2.3 材料表征26
• 2.2.4 电极制备与电催化ORR性能测试26
• 2.3 结果与讨论26-43
• 2.3.1 NSPC、NSAC和NSEC催化剂的结构和形貌表征26-35
• 2.3.2 N/S共掺多孔碳材料的ORR催化性能测试35-43
• 2.4 小结43-44
• 第三章 FeCl_3为二维模板制备NSFC催化剂及其电催化性能研究44-61
• 3.1 前言44
• 3.2 实验部分44-46
• 3.2.1 原料与试剂44-45
• 3.2.2 材料制备45
• 3.2.3 材料表征45-46
• 3.2.4 电极制备与电催化ORR性能测试46
• 3.3 结果与讨论46-59
• 3.3.1 NSFC催化剂的结构和形貌表征46-53
• 3.3.2 N/S/Fe共掺碳纳米片材料的ORR催化性能测试53-59
• 3.4 小结59-61
• 第四章 双模板法制备NSHC催化剂及其电催化性能研究61-77
• 4.1 前言61-62
• 4.2 实验部分62-63
• 4.2.1 原料与试剂62
• 4.2.2 材料制备62-63
• 4.2.3 材料表征63
• 4.2.4 电极制备与电催化ORR性能测试63
• 4.3 结果与讨论63-76
• 4.3.1 NSHC催化剂的结构和形貌表征63-70
• 4.3.2 N/S/Fe共掺组合型分级多孔材料的ORR催化性能测试70-76
• 4.4 小结76-77
• 第五章 总结和展望77-80
• 5.1 总结77-78
• 5.2 展望78-80
• 参考文献80-88
• 致谢88-89
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文89

【参考文献】

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1 张慧;周雅静;宋肖锴;;基于金属-有机骨架前驱体的先进功能材料[J];化学进展;2015年Z1期

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本文编号：993319