基于氮掺杂多孔碳复合纳米催化剂的制备及其锌空电池性能的研究

发布时间：2020-10-29 15:23

　　 由于可再生能源需求的不断增加,金属-空气电池,特别是锌空气电池,因其环境的良好性、成本效益低、安全性、可再充电性以及优异的耐久性,被认为是锂离子电池的潜在替代品。而锌空电池的阴极氧还原催化剂对其性能的影响较大。本论文针对此问题,主要工作如下:(1)利用二氰二胺、二茂铁和壳聚糖为原料,通过均匀混合,冷冻干燥获得碳前驱体,在NH3气氛中,950℃退火处理1h后,可宏量制备高比表面积的N、Fe共掺杂碳材料(NFe-C-HSA)。该典型产物具有三维网络结构,是一种高比表面积和总孔体积(比表面积为1776.68m2g-1,总孔体积为1.58cm3g-1)的N、Fe共掺杂复合纳米多孔碳材料。典型产物在组装锌空电池测试中表现出优异的电池性能,在电流密度为209.9mAcm-2时,功率密度最大值为170.0mWcm-2,典型产物在10OmAcm-2时的比容量为697mAh1-1,与商业Pt/C(20%)相比,我们制备的典型产物具有更好的催化性能。(2)研究了钴、石墨烯共掺杂的CMK3复合纳米材料(CMK3-G-Co)的锌空电池性能,详细地比较了几种不同条件下制备的产物和商业Pt/C(20%)在碱性介质中通过组装的电池测量其电池性能。根据测试结果发现复合纳米材料(CMK3-G-Co)在900℃时测试的电池性能与商业Pt/C(20%)相比类似,但我们制备的典型产物原料丰富,制备简单,价格便宜,因此完全有可能成为替代商业Pt/C(20%)的锌空电池阴极催化剂。(3)利用生物质香蒲为原料,添加少量的FeCl3和NiCl2(未加三聚氰胺和二茂铁等)直接合成了含有少量的Fe、Ni氮掺杂的碳纳米管(CNT-N-Fe-Ni)。该材料的最佳反应条件为NH3气氛下,锻烧温度为800℃,保温时间为1h。典型产物碳纳米管外层直径是145±5nm,厚度为15±2nm,其中氮含量达到2.77%,Fe和Ni的含量分别为0.3%和0.22%。可以进一步说明我们成功的将铁和镍掺杂到碳纳米管中。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TM911.41
【部分图文】：

铂基材料是四电子（４ｅ＿）路径，但是铂成本非常昂贵且稀有，阻碍了其发展和??应用。所以，探索非贵金属催化剂代替铂催化剂是一个非常有意义的研宄方向［７］。??在这方面，一维（１Ｄ）碳纳米管（ＣＮＴ）和二维（２Ｄ）石墨烯（图１）由于其??优异的电导率，巨大的比表面积（ＳＳＡ），以及优良的热力学性能［８】，引起了大??量的关注。有研究发现，可以通过加入其它的原子到碳的结构中，从而改变〇２??的催化位点、化学吸附能以及电催化剂的反应机理，因此，很大程度上提升其??ＯＲＲ性能［９］。在各种可能的掺杂原子中，Ｎ掺杂的碳材料由于其优良的电催化性??能、低成本、优异的稳定性和环境友好性而备受关注。此外，当过渡价氮被引入??石墨平面时，可以得到更多的ｊｔ电子Ｍ，这一特性也使石墨碳改变了许多其它的??性质，如：增加Ｎ型载体浓度和表面能，降低功函数以及可调极化［１１＿１４］。如图２??所示

能、低成本、优异的稳定性和环境友好性而备受关注。此外，当过渡价氮被引入??石墨平面时，可以得到更多的ｊｔ电子Ｍ，这一特性也使石墨碳改变了许多其它的??性质，如：增加Ｎ型载体浓度和表面能，降低功函数以及可调极化［１１＿１４］。如图２??所示，石墨烯中Ｎ原子的三种常见键合构型分别是吡啶型，吡咯型和石墨型ｔＷ。??吡啶型氮是每个Ｎ原子与两个Ｃ原子键合供给一个ｉｔ电子，且Ｎ原子比较靠近??石墨烯平面的边缘；吡咯型氮是Ｎ原子是被结合到杂环中的，同吡啶型Ｎ原子??一样，也是每个Ｎ原子键合到两个Ｃ原子上，但不同的是它可以为７１体系贡献两??个电子。石墨型Ｎ跟前两种类型的Ｎ原子不同，它在石墨烯平面中替代碳原子??的Ｎ原子，这种方式掺杂的Ｎ原子可以改变石墨碳费密能级附近的局域密度状??态，并且在调节电子性质和改善其ＯＲＲ性能方面起着至关重要的作用［１４，１６］。??１??

从实验的角度来看，Ｙ．Ｔａｎｇ等人Ｍ通过ＣＶＤ方法合成ＮＣＮＴ，使用乙腈或??乙醇作为前体、Ａｒ／Ｈ２作为载气。透射电子显微镜图像（ＴＥＭ）表明，ＮＣＮＴ是??由单个纳米团堆叠在一起（参见图３）。其结果表明，堆叠的ＮＣＮＴ与Ｐｔ／ＣＮＴ??在ＯＲＲ中表现出类似的催化活性，并且还可以用于Ｈ２０２和葡萄糖的电化学检测。??其他几个研宄小组［４６］也尝试使用ＣＶＤ方法用不同的Ｎ前体合成ＮＣＮＴ。实验表??明，碳和氮前体对ＮＣＮＴ的形态和性能有显著的影响。例如，当使用二茂铁（催??化剂前体）和咪唑（Ｃ和Ｎ前体）时，合成的ＮＣＮＴ具有高达８．５４％的Ｎ含量??和竹节状结构［２３】。通过９００°Ｃ退火处理ＣＮＴ和三吡咯基三嗪（ＴＰＴ）混合物后??得到ＮＣＮＴ，在碱性介质中表现出优异的ＯＲＲ电化学性能。??在另一组中，Ｋｕｎｄｕ等人为了控制氮含量，通过在不同温度下用钴作为催??化剂热解乙腈来制备ＮＣＮＴ。结果表明，在较低温度下制备的ＮＣＮＴ具有更多??的吡啶基团，且更多的暴露边缘平面。此外，他们还发现含有较多吡啶基团的??ＮＣＮＴ对ＯＲＲ具有更好的催化性能。后来
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本文编号：2861092