三维石墨烯和三聚氰胺泡沫衍生碳纳米管材料的制备及其氧还原性能研究
发布时间：2021-02-19 21:30
随着社会的发展,人类对能源的需求与日俱增,一方面传统的化石燃料资源日益枯竭,另一方面其所带来的环境污染问题也日益严峻,所以人们迫切需要开发出高效清洁的新能源以及能量储存和转化器件。近年来燃料电池、金属空气电池和超级电容器等器件吸引了广泛科研工作者的研究和兴趣,然而由于氧还原反应迟缓的动力学特征,迫使人们去设计开发结构独特、性能优良、廉价环保的催化剂材料。基于此,本论文从来源广泛、导电性好的碳材料出发,设计和制备出了两种结构不同的性能优良的非贵金属碳基氧还原催化剂,本论文的主要研究内容如下:（1）金属-氮共掺杂的三维石墨烯氧还原催化剂的研究。采用自制的氧化石墨烯纳米片为原料,通过研究过渡金属Fe、Co、Ni种类及用量、水热反应温度等因素对三维石墨烯结构与性能的影响,确定了最佳的反应条件。为进一步提高其氧还原催化活性,在高温热解的过程中加入双氰胺引入新的活性位点,并研究了热解温度对材料结构性能的影响。实验结果表明,Fe/Ni比例0.02,180℃下水热反应10h,然后900℃下热解2h所得到的三维石墨烯材料性能最好,在0.1 M KOH溶液中表现出了接近商业Pt/C的氧还原性能。（2）铁、...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１燃料电池示意图??Ｆｉｇ．１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ??
?北京化工大学硕士学位论文???Ａ?Ｆｕｅｌ?Ｃｅｌｌ?讓?。??？?、？??——?，??Ｆｕｅｌ、＿；?丨?ｆｃｙｉＰｊ＾?°＊??（ｓｕｃｈ?ａｓ?ｍｅｔｈａｎｏｌ，??ｈｙｄｒｉｎ．）?Ｖ＾ｌ?４ｆ?Ｈ＊??Ｐｒｏｄｕｃｔｓ??Ａｎｏｄｅ?Ｍｅｍｂｒａｎｅ?ＣｅｆＮｃ＾ｃ，??图１－１燃料电池示意图??Ｆｉｇ．１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ??Ｕ．２燃料电池工作原理??氧气还原反应就是反应时氧气分子在阴极得到电子被还原的过程，当氧气完??全被还原时，会在碱性电解质溶液中还原为氢氧根，在酸性电解液中还原为水。??然而有时候氧气并未被充分还原，中间涉及多步还原过程，且每步反应都有不同??的中间产物生成，而且在酸性和碱性电解质溶液中的反应机理也不尽相同，虽说??如此，但在广大科研工作者持续的研究中，己经初步确定了氧气还原反应的大致??机理，如图１－２分别为碱性和酸性溶液中的机理示意图［ＩＷ８］。??碱性溶液条件?＼０４ｅ－）??〇２?．ｑ￣￣，??ｈｏ＊２??酸性溶液条件??＾（２ｅ＇＞?ｋ，（２ｅ￣）?１??ｈ２ｏ２??图１＿２不同电解液中的氧还原反应机理图??Ｆｉｇ．?１－２?Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＯＲＲ?ｉｎ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｍｅｄｉａ??在酸性和碱性电解液中氧还原反应有着不同的反应方程式［１５］：??２??
?第一章绪论???ＰｔＮｉ?＜?Ｍｏ－ＰｔＮｉ??身身??０．９?Ｖ?ＰｔＮｉ?０．９?Ｖ?Ｍｏ－ＰｔＮｉ??图１－５在ＰｂＮｉ催化剂表面掺杂钼后的结构变化示意图??Ｆｉｇ．１－５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｃｈａｎｇｅｓ?ａｆｔｅｒ?ｄｏｐｉｎｇ?ｗｉｔｈ?Ｍｏ??１．２．２非贵金属催化剂??尽管人们己经尽可能的降低了氧还原催化剂中铂的使用量，但是催化剂的成??本仍然较高，所以许多人将研宄方向转移到了过渡金属的身上，因其有与铂相似??的表面电子结构与性质［３２＿３５］，比如说Ｘｕ课题组通过热解的方法制备出了高含氮??量的非贵金属Ｆｅ－Ｎ／Ｃ催化剂＠１，其微观形貌如图丨－６所示在０．１Ｍ的ＫＯＨ??溶液和０．１?Ｍ的ＨＣ１０４溶液中的氧还原性能都与商业铂碳相差不大，而且无论??在酸性还是碱性溶液中几乎都发生高效的四电子转移过程，在经过１００００个循环??后极限电流密度并未发生明显的下降与损失。??图１－６铁－吩嗪前驱体和Ｆ－Ｎ／Ｃ－８００催化剂的扫描电镜以及透射电镜图??Ｆｉｇ．１－６?ＳＥＭ?ａｎｄ?ＴＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?Ｆｅ－ｂｉｄｐｐｚ?ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ?ａｎｄ?Ｆ－Ｎ／Ｃ－８００?ｃａｔａｌｙｓｔ??在锌空气电池中，氧还原和析氧催化剂的作用至关重要，通常都需要用到贵??金属铂钌铱等，如图ｌ－７［３＇?Ｔａｎｇ课题组等人［３７］通过氧化石墨烯合成三维石墨烯??水凝胶时，借助聚乙烯醇作为分散剂，成功的引入了?Ｎｉ和ＭｎＯ金属颗粒，借助??于三维石墨烯的三维结构及良好的导电性，得到了催化性能良好的双功能催化剂，??其中金属Ｎｉ主要提高了析氧的性能，而ＭｎＯ则主
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国能源结构优化研究现状及展望[J]. 杨英明,孙建东,李全生. 煤炭工程. 2019(02)
[2]清洁能源开发利用对于实现可持续发展的研究[J]. 朱卫东,任志远,向成兵. 中国战略新兴产业. 2018(44)
[3]面向金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池应用的钴基电催化剂综述[J]. 周嵬,王习习,朱印龙,戴洁,朱艳萍,邵宗平. 材料导报. 2018(03)
[4]推动新能源和传统能源的协调发展[J]. 杨得润. 电气时代. 2016(04)
[5]B,P单掺杂和共掺杂石墨烯对O,O2,OH和OOH吸附特性的密度泛函研究[J]. 孙建平,周科良,梁晓东. 物理学报. 2016(01)
[6]碳材料在电化学储能中的应用[J]. 梁骥,闻雷,成会明,李峰. 电化学. 2015(06)
本文编号：3041715
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１燃料电池示意图??Ｆｉｇ．１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ??
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?第一章绪论???ＰｔＮｉ?＜?Ｍｏ－ＰｔＮｉ??身身??０．９?Ｖ?ＰｔＮｉ?０．９?Ｖ?Ｍｏ－ＰｔＮｉ??图１－５在ＰｂＮｉ催化剂表面掺杂钼后的结构变化示意图??Ｆｉｇ．１－５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｃｈａｎｇｅｓ?ａｆｔｅｒ?ｄｏｐｉｎｇ?ｗｉｔｈ?Ｍｏ??１．２．２非贵金属催化剂??尽管人们己经尽可能的降低了氧还原催化剂中铂的使用量，但是催化剂的成??本仍然较高，所以许多人将研宄方向转移到了过渡金属的身上，因其有与铂相似??的表面电子结构与性质［３２＿３５］，比如说Ｘｕ课题组通过热解的方法制备出了高含氮??量的非贵金属Ｆｅ－Ｎ／Ｃ催化剂＠１，其微观形貌如图丨－６所示在０．１Ｍ的ＫＯＨ??溶液和０．１?Ｍ的ＨＣ１０４溶液中的氧还原性能都与商业铂碳相差不大，而且无论??在酸性还是碱性溶液中几乎都发生高效的四电子转移过程，在经过１００００个循环??后极限电流密度并未发生明显的下降与损失。??图１－６铁－吩嗪前驱体和Ｆ－Ｎ／Ｃ－８００催化剂的扫描电镜以及透射电镜图??Ｆｉｇ．１－６?ＳＥＭ?ａｎｄ?ＴＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?Ｆｅ－ｂｉｄｐｐｚ?ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ?ａｎｄ?Ｆ－Ｎ／Ｃ－８００?ｃａｔａｌｙｓｔ??在锌空气电池中，氧还原和析氧催化剂的作用至关重要，通常都需要用到贵??金属铂钌铱等，如图ｌ－７［３＇?Ｔａｎｇ课题组等人［３７］通过氧化石墨烯合成三维石墨烯??水凝胶时，借助聚乙烯醇作为分散剂，成功的引入了?Ｎｉ和ＭｎＯ金属颗粒，借助??于三维石墨烯的三维结构及良好的导电性，得到了催化性能良好的双功能催化剂，??其中金属Ｎｉ主要提高了析氧的性能，而ＭｎＯ则主
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国能源结构优化研究现状及展望[J]. 杨英明,孙建东,李全生. 煤炭工程. 2019(02)
[2]清洁能源开发利用对于实现可持续发展的研究[J]. 朱卫东,任志远,向成兵. 中国战略新兴产业. 2018(44)
[3]面向金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池应用的钴基电催化剂综述[J]. 周嵬,王习习,朱印龙,戴洁,朱艳萍,邵宗平. 材料导报. 2018(03)
[4]推动新能源和传统能源的协调发展[J]. 杨得润. 电气时代. 2016(04)
[5]B,P单掺杂和共掺杂石墨烯对O,O2,OH和OOH吸附特性的密度泛函研究[J]. 孙建平,周科良,梁晓东. 物理学报. 2016(01)
[6]碳材料在电化学储能中的应用[J]. 梁骥,闻雷,成会明,李峰. 电化学. 2015(06)
本文编号：3041715
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