新型氮掺杂碳基电催化剂制备及其应用

发布时间：2020-04-01 17:09

【摘要】：燃料电池是一种很有发展前景的能源利用装置,得到了广泛关注。燃料电池反应过程的阴极氧还原反应(ORR)进行较为缓慢,电化学催化剂用来提高反应的效率和催化性能,ORR电化学催化剂的改进对燃料电池的快速发展是十分有必要的。我们的研究目标是合成用于ORR催化反应的催化剂,主要是新型高催化性的氮掺杂碳基电催化剂,包括氮掺杂碳材料和金属氮掺杂碳材料。sp2杂化碳原子的二维碳材料石墨烯,是一种具有独特的形貌、有较大的比表面积,含有功能化的官能团的一类碳材料,拥有较好的稳定性和导电性,现用于ORR催化剂的研究也比较广泛。首先,通过改性休克尔方法合成氧化石墨烯(GO);然后以GO为碳基,聚吡咯(Ppy)提供氮源,进行氮掺杂改性合成氮掺杂材料Ppy/GO。相比GO的催化活性,Ppy/GO的催化活性得到提高,Ppy/GO起始电位为-0.20V(vs SCE),阴极电流电位为-0.38 V(vs SCE)。说明N掺杂对提高GO的ORR催化活性是有效的方法。随后,在600℃氮气保护下,对Ppy/GO进行煅烧,得到具有二维片层形貌的Ppy/GO-600,起始电位和阴极电流电位分别是-0.10 V(vs SCE)和-0.30 V(vs SCE)。结果表明高温处理改善ORR催化性能也是有效的方式,它更加利于形成活性位点,促进了电极上的电子或电荷转移,从而使得ORR反应更加容易进行。氮化碳作为一种典型的无金属催化剂材料,我们选择用氮化碳作为掺氮碳载体,用热聚合法合成了具有高比表面积的g-C_3N_4,为了进一步提高电催化性能,我们采用均相掺杂对g-C_3N_4材料进行金属掺杂的改性,通过金属无机盐和金属有机物进行铁、铜的嫁接合成了掺氮碳材料Fe/g-C_3N_4、Cu/g-C_3N_4。在碱性条件下考察它们的ORR活性。结果表明g-C_3N_4的起始电位与电流电位分别为-0.30V(vs SCE)、-0.42V(vs SCE),在转速为1600 rpm时,在-0.1 V下的电流密度为0.85 mA cm~(-2)。结合Koutecky-Levich方程,对所测得的ORR极化曲线分析,得到反应中电子转移数为3.5。通过金属有机合成得到的Fe/g-C_3N_4、Cu/g-C_3N_4的起始电位分别为-0.20 V(vs SCE)、-0.28 V(vs SCE),阴极电流电位分别为-0.32 V(vs SCE)和-0.38 V(vs SCE),在转速为1600 rpm时,在-0.1V下的电流密度分别为1.40 m A cm~(-2)和1.55 mA cm~(-2),电子转移数分别为2.5、3.6。说明我们通过金属有机物合成嫁接金属的g-C_3N_4的电催化性能有了明显的提高。通过无机强酸可逆地质子化g-C_3N_4。质子化可以改善g-C_3N_4的可溶性、分散性、电子结构及比表面积。因此我们用强氧化性浓硫酸对g-C_3N_4进行质子化,得到nano-g-C_3N_4,也通过采用均相掺杂的方法对nano-g-C_3N_4材料进行改性,合成了Fe/nano-g-C_3N_4、Cu/nano-g-C_3N_4。结果表明:nano-g-C_3N_4的起始电位和阴极电流电位分别为-0.30V(vs SCE)、-0.42V(vs SCE),在转速为1600 rpm时,在-0.1 V下的电流密度为1.75 mA cm~(-2)。金属有机物合成得到的Fe/nano-g-C_3N_4、Cu/nano-g-C_3N_4的起始电位分别为-0.28 V(vs SCE)、-0.28 V(vs SCE),阴极电流电位分别为-0.38 V(vs SCE)和-0.35 V(vs SCE),电流密度分别为2.55 mA cm~(-2)和1.8 mA cm~(-2)。说明我们通过金属Fe有机物合成的嫁接金属的g-C_3N_4的电催化性能有了明显的提高。为了提高g-C_3N_4、nano-g-C_3N_4的氮含量,将它们分别与一定比例的吡咯/乙醇溶液进行水热反应制备Ppy/g-C_3N_4、Ppy/nano-g-C_3N_4。结果表明:Ppy/g-C_3N_4的起始电位和阴极电流电位分别为-0.28V(vs SCE)、-0.35V(vs SCE),在转速1600 rpm时,在-0.1V下的电流密度为1.40 m A cm~(-2);Ppy/nano-g-C_3N_4的起始电位和阴极电流电位分别为-0.30 V(vs SCE)和-0.35 V(vs SCE),电流密度为2.0 mA cm~(-2)。说明提高氮含量对ORR性能有一定的效果。综上,我们分别将氧化石墨烯和氮化碳作为碳基催化剂,对其进行金属掺杂,并对其进行氧还原催化性能研究,获得在不同转速下的循环伏安曲线和极化曲线。根据图像得出它们各自的起始电位和阴极电流电位,以及在相同转速、相同电压下的电流密度值的大小。在碱性电解质中,氮掺杂碳基催化剂有很好的性能。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TM911.4

【参考文献】