ZIF衍生铁基氮掺杂碳材料的制备及其氧还原性能研究
发布时间：2021-01-28 20:46
面对越来越严重的能源和环境危机,高效无污染的能量转换装置,如燃料电池、金属空气电池等,已成为目前的研究重点。然而,阴极氧还原（ORR）动力学过程的滞后性是影响其商业化应用的重要因素。目前,已商业应用的ORR催化剂为铂（Pt）催化剂,其不仅储量有限、价格昂贵,而且稳定性差。因此,研究和开发高效且价格低的非贵金属ORR催化剂是实现上述能量转换装置大规模商业化应用的前提。过渡金属-氮原子掺杂多孔碳材料（M-N-C）因具有成本低、性能高且稳定性好等优势而备受研究者的青睐。金属有机框架（MOFs）具有很多优势,如结构稳定、比表面积高、孔结构可调节等,以其作为前驱体高温热解得到的金属-氮掺杂多孔碳材料在电化学催化领域有着出色的表现。本文以锌基沸石类咪唑框架（ZIFs）为前驱体,通过可控掺杂和维度调控的方法提高Fe活性位的分散性,一步碳化得到两种高效的铁基氮掺杂多孔碳ORR催化剂,主要研究成果如下:（1）通过价态调控设计和构筑出了一种具有规则截角十二面体形貌的高效ORR电催化剂。利用铜片通过简单的离子反应(2Fe3++Cu=Cu2++2Fe2+<...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC的结构组成示意图[15]
掌?蛩?⑸?缌曳从Γ?话慊够岬闳际褂玫挠谢?缃?质，发生爆炸。同时，锂资源有限且成本高，大部分锂来源于澳大利亚和智利的天然矿床中[23]。相比于锂空气电池的高成本和高危险，锌空气电池则显得更具有发展前景[24]。锌在地壳含量中排第四，其矿藏量是金属锂的300多倍，锌空气电池虽然理论比能量密度为1084Whkg-1，低于锂空气电池，但它使用不易燃的水溶性电解质，安全性高，同时还具有低平衡电位、放电电压平稳、成本低、使用寿命长和环境友好等优点，进一步促进了锌空气电池在能源储存市场上的蓬勃发展[25]。图1-2锌空电池的结构示意图[26]。Figure1-2.SchematicillustrationofZn-airbattery.[26]锌空气电池的结构组成如上图所示，由阳极金属板、隔膜、空气电极和电解液组成。其中空气电极一般由三个部件构成：集电器、气体扩散层和催化剂活化层。集电器通常是泡沫镍，要具有一定的导电性。气体扩散层主要作用是转移氧气，一般采用多孔碳材料和PTFE混合物[27]，其特征为具有较高的比表面积且是疏水的。催化剂层是ORR反应的反应场所，是影响锌空电池工作效率的关键因素[28]。锌与酸性溶液发生反应，会导致阳极金属板的严重腐蚀[29]，因此，常用的电解液是为KOH和NaOH溶液，与NaOH相比，KOH更为常见，因为钾盐的具有更高的溶解度和氧气扩散系数，粘度较低且钾离子的离子导电率也优于钠离子[30]。锌空电池反应由阳极Zn的氧化反应和阴极发生的ORR反应两部分组成。
12人提出来后，已有大量科研工作者报道了具有不同拓扑结构和孔径的MOFs。与传统孔结构丰富的材料相比，MOFs拥有很多独特的优点，例如比表面积大、孔径可调节、结构稳定及可调节性、易被修饰和功能化等，在药物运输[67]、气体吸附与分离[68]、催化[69]、能量存储及转换[70-71]等多个领域显示出优良的性能和应用价值。不同种类的MOFs往往含有不同的金属中心和有机配体。按照有机配体及结构的差别，MOFs主要包括以下几类：网状金属有机框架材料（IRMOF）、类沸石咪唑酯框架材料（ZIF）、多孔金属配位聚合物框架材料（PCP）、拉瓦希尔框架材料（MIL）、孔-通道式框架材料（PCN）[72-73]。类沸石咪唑酯框架材料（ZIFs）是由过渡金属离子（Zn2+和Co2+）与咪唑有机链配位形成的具有周期性的有序晶体框架，类似于沸石的拓扑结构。与其他MOFs相比，ZIFs不仅具有比表面积大、孔径可调及较好的化学稳定性等多个优点，它的有机配体（咪唑配位基）还含有丰富的N源，这也是它在催化、能量存储及转化领域具有独特优势的一点[74]，下图1-3为ZIFs典型拓扑结构示意图及不同类型的ZIF衍生物在电催化领域的应用。图1-3ZIFs典型拓扑结构和不同类型的ZIF衍生物在各个催化领域的应用[74]。Figure1-3.IllustrationoftypicaltopologiesofZIFsanddifferentkindsofZIF-derivedmaterialsaselectrocatalystsinvariousareas[74].
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属-空气电池的研究进展[J]. 李华,高颖,隋旭磊,王振波. 炭素. 2017(02)
[2]低温燃料电池非铂催化剂研究进展[J]. 张洁,唐水花,廖龙渝,郁卫飞. 催化学报. 2013(06)
[3]金属氧化物在低温燃料电池催化剂中的应用[J]. 张娜,张生,朱彤,尹鸽平. 化学进展. 2011(11)
[4]低温燃料电池氧电极催化剂[J]. 原鲜霞,夏小芸,曾鑫,张慧娟,马紫峰. 化学进展. 2010(01)
[5]AFC电催化剂的研究进展[J]. 张姝,毕剑,赖欣,高道江. 电池. 2006(06)
[6]质子交换膜燃料电池的进展与前景[J]. 任学佑. 有色金属. 2003(03)
[7]燃料电池发展及其应用[J]. 张胜涛,温彦. 世界科技研究与发展. 2003(03)
[8]燃料电池的历史、现状和未来[J]. 毕道治. 电池工业. 2000(06)
本文编号：3005666
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC的结构组成示意图[15]
掌?蛩?⑸?缌曳从Γ?话慊够岬闳际褂玫挠谢?缃?质，发生爆炸。同时，锂资源有限且成本高，大部分锂来源于澳大利亚和智利的天然矿床中[23]。相比于锂空气电池的高成本和高危险，锌空气电池则显得更具有发展前景[24]。锌在地壳含量中排第四，其矿藏量是金属锂的300多倍，锌空气电池虽然理论比能量密度为1084Whkg-1，低于锂空气电池，但它使用不易燃的水溶性电解质，安全性高，同时还具有低平衡电位、放电电压平稳、成本低、使用寿命长和环境友好等优点，进一步促进了锌空气电池在能源储存市场上的蓬勃发展[25]。图1-2锌空电池的结构示意图[26]。Figure1-2.SchematicillustrationofZn-airbattery.[26]锌空气电池的结构组成如上图所示，由阳极金属板、隔膜、空气电极和电解液组成。其中空气电极一般由三个部件构成：集电器、气体扩散层和催化剂活化层。集电器通常是泡沫镍，要具有一定的导电性。气体扩散层主要作用是转移氧气，一般采用多孔碳材料和PTFE混合物[27]，其特征为具有较高的比表面积且是疏水的。催化剂层是ORR反应的反应场所，是影响锌空电池工作效率的关键因素[28]。锌与酸性溶液发生反应，会导致阳极金属板的严重腐蚀[29]，因此，常用的电解液是为KOH和NaOH溶液，与NaOH相比，KOH更为常见，因为钾盐的具有更高的溶解度和氧气扩散系数，粘度较低且钾离子的离子导电率也优于钠离子[30]。锌空电池反应由阳极Zn的氧化反应和阴极发生的ORR反应两部分组成。
12人提出来后，已有大量科研工作者报道了具有不同拓扑结构和孔径的MOFs。与传统孔结构丰富的材料相比，MOFs拥有很多独特的优点，例如比表面积大、孔径可调节、结构稳定及可调节性、易被修饰和功能化等，在药物运输[67]、气体吸附与分离[68]、催化[69]、能量存储及转换[70-71]等多个领域显示出优良的性能和应用价值。不同种类的MOFs往往含有不同的金属中心和有机配体。按照有机配体及结构的差别，MOFs主要包括以下几类：网状金属有机框架材料（IRMOF）、类沸石咪唑酯框架材料（ZIF）、多孔金属配位聚合物框架材料（PCP）、拉瓦希尔框架材料（MIL）、孔-通道式框架材料（PCN）[72-73]。类沸石咪唑酯框架材料（ZIFs）是由过渡金属离子（Zn2+和Co2+）与咪唑有机链配位形成的具有周期性的有序晶体框架，类似于沸石的拓扑结构。与其他MOFs相比，ZIFs不仅具有比表面积大、孔径可调及较好的化学稳定性等多个优点，它的有机配体（咪唑配位基）还含有丰富的N源，这也是它在催化、能量存储及转化领域具有独特优势的一点[74]，下图1-3为ZIFs典型拓扑结构示意图及不同类型的ZIF衍生物在电催化领域的应用。图1-3ZIFs典型拓扑结构和不同类型的ZIF衍生物在各个催化领域的应用[74]。Figure1-3.IllustrationoftypicaltopologiesofZIFsanddifferentkindsofZIF-derivedmaterialsaselectrocatalystsinvariousareas[74].
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属-空气电池的研究进展[J]. 李华,高颖,隋旭磊,王振波. 炭素. 2017(02)
[2]低温燃料电池非铂催化剂研究进展[J]. 张洁,唐水花,廖龙渝,郁卫飞. 催化学报. 2013(06)
[3]金属氧化物在低温燃料电池催化剂中的应用[J]. 张娜,张生,朱彤,尹鸽平. 化学进展. 2011(11)
[4]低温燃料电池氧电极催化剂[J]. 原鲜霞,夏小芸,曾鑫,张慧娟,马紫峰. 化学进展. 2010(01)
[5]AFC电催化剂的研究进展[J]. 张姝,毕剑,赖欣,高道江. 电池. 2006(06)
[6]质子交换膜燃料电池的进展与前景[J]. 任学佑. 有色金属. 2003(03)
[7]燃料电池发展及其应用[J]. 张胜涛,温彦. 世界科技研究与发展. 2003(03)
[8]燃料电池的历史、现状和未来[J]. 毕道治. 电池工业. 2000(06)
本文编号：3005666
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