过渡金属单原子碳基催化剂的制备及性能研究
发布时间：2021-04-17 05:42
当今社会,随着化石能源的枯竭及环境问题的日益严重,转变当前能源结构,减少环境污染,迫在眉睫。开发高效低成本的洁净能源转换装置对于实现能源结构的成功转型尤为重要。其中,电解水装置、氢能燃料电池及金属-空气电池备受关注。然而,这些装置所涉及的阴极反应,如氧还原反应,其动力学都较为缓慢。虽然采用贵金属作为催化剂可以有效地加速这些反应进程以提高上述装置的工作效率,但造成的高成本问题却又严重制约了这些装置的实际运用。因此,开发高活性及高稳定性的低成本非贵金属催化剂被认为是推进上述能源转换装置的产业化应用的关键。目前,具有高密度的M-Nx活性位点的金属单原子-氮共掺杂的碳基催化剂（SAM-N/C）被认为是用于替代高成本贵金属催化剂最具潜力的催化剂之一。然而,由于在热解过程中金属原子极易团聚并且非常容易被包覆在碳层之内,使得获得SAM-N/C催化剂极具挑战。因此,探索简单低成本的SAM-N/C催化剂的制备方法是推进上述能源转换装置商业化应用的重要一步。基于此,本文主要展开了以下两个方面的工作:（1）针对Co@C结构高温下易生成从而阻碍金属单原子碳基催化剂制备的问题,本章采用Co...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米颗粒、层状二维材料、单原子链、单原子的研究进展示意图
1绪论5载体SACs[51]、金属合金载体SACs[52]、微孔/介孔材料（沸石等）载体SACs、MOFSACs[53]、二氧化硅载体SACs、碳基SACs[54]、有机聚合物载体SACs[55]、氮化物或碳化物载体SACs[56]等（如图1.2）。图1.2采用不同载体来制备单原子催化剂Fig.1.2DiversehostmaterialsthathavebeenstudiedtoprepareSACs.其中对于金属氧化物（氢氧化物）载体SACs，由于金属氧化物存在着各种各样的几何结构和晶体形态，并且在不同化学计量的相中存在着阴离子缺陷位或阳离子缺陷位。对于金属氧化物作为载体的SACs来说，大多通过与特定晶体位置的替换来形成与载体特定的配位作用。尽管金属氧化物的晶体多样性给晶体分析带来了一些挑战，但其表面提供了大量可调节的活性位点，如最近广受关注的Pt/CeO2催化剂。金属合金单原子（SAAs）具有两个特点：（1）低浓度下存在越多的活性金属，那么该金属原子在载体上就呈现出越高的热力学稳定性。（2）取代合金原子半径具有一定的相似性。对于实际应用中SAAs也是载体，由于金属浓度不同及金属原子尺寸和形貌不同可能会导致出现一些不同的不等价原子的存在。此外，对于碳基SACs，由于完美的碳材料表面具有化学惰性，因此只有改变
1绪论7者通过离子交换的形式占据其他阳离子的位点（如：H+、Na+等），再经后处理嫁接到ZIF框架内相邻的氧中心，从而得到稳定的碳基SACs[60,61]。如图1.3a和图1.3b所示，从所制备SACs的AC-STEM图（A）中可以看出单Pt个原子均匀分散在载体表面。如图1.3C所示，采用ZIF-8作为宿体，利用其内部空腔结构（dc=11.6）封装Fe(acac)3，热解过程后氮原子稳定住了其中心的Fe原子，形成Fe-NX结构均匀分散的SACs[62]。如图1.3D所示，采用UiO-66-NH2作碳骨架并利用对苯二甲酸所连接的胺基团与Ru原子进行配位，可有效地抑制Ru的迁移团聚，热处理后得到稳定的Ru单原子碳基催化剂[63]。图1.3空间限域策略所制备SACs的AC-STEM图（A）及Pt单原子被锚定沸石结构的模型（B）；（C）Fe单原子催化剂的制备方法；（D）Ru单原子UiO-66-NH2基体催化剂的生成步骤。Fig.1.3SpatialConfinementStrategyfortheSynthesisofSACsAC-STEMimages(A)andmodelofsinglePtatomslocatedinthezeoliteKLTL(B);(C)Schematicpreparationprocessofsingle-atomFecatalyst.(D)FormationprocedureofsingleUiO-66-NH2.
【参考文献】：
期刊论文
[1]锌空气电池关键问题与发展趋势[J]. 洪为臣,马洪运,赵宏博,王保国. 化工进展. 2016(06)
[2]质子交换膜燃料电池非铂电催化剂研究进展[J]. 聂瑶,丁炜,魏子栋. 化工学报. 2015(09)
[3]通过铁掺杂和造孔提高氮掺杂石墨烯/碳纳米管复合物电催化氧还原性能的研究（英文）[J]. 张云,胡劲松,江文杰,郭琳,魏子栋,万立骏. 电化学. 2014(05)
[4]氧电极催化材料的研究现状[J]. 魏子栋,李莉,李兰兰,唐致远,郭鹤桐. 电源技术. 2004(02)
本文编号：3142909
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米颗粒、层状二维材料、单原子链、单原子的研究进展示意图
1绪论5载体SACs[51]、金属合金载体SACs[52]、微孔/介孔材料（沸石等）载体SACs、MOFSACs[53]、二氧化硅载体SACs、碳基SACs[54]、有机聚合物载体SACs[55]、氮化物或碳化物载体SACs[56]等（如图1.2）。图1.2采用不同载体来制备单原子催化剂Fig.1.2DiversehostmaterialsthathavebeenstudiedtoprepareSACs.其中对于金属氧化物（氢氧化物）载体SACs，由于金属氧化物存在着各种各样的几何结构和晶体形态，并且在不同化学计量的相中存在着阴离子缺陷位或阳离子缺陷位。对于金属氧化物作为载体的SACs来说，大多通过与特定晶体位置的替换来形成与载体特定的配位作用。尽管金属氧化物的晶体多样性给晶体分析带来了一些挑战，但其表面提供了大量可调节的活性位点，如最近广受关注的Pt/CeO2催化剂。金属合金单原子（SAAs）具有两个特点：（1）低浓度下存在越多的活性金属，那么该金属原子在载体上就呈现出越高的热力学稳定性。（2）取代合金原子半径具有一定的相似性。对于实际应用中SAAs也是载体，由于金属浓度不同及金属原子尺寸和形貌不同可能会导致出现一些不同的不等价原子的存在。此外，对于碳基SACs，由于完美的碳材料表面具有化学惰性，因此只有改变
1绪论7者通过离子交换的形式占据其他阳离子的位点（如：H+、Na+等），再经后处理嫁接到ZIF框架内相邻的氧中心，从而得到稳定的碳基SACs[60,61]。如图1.3a和图1.3b所示，从所制备SACs的AC-STEM图（A）中可以看出单Pt个原子均匀分散在载体表面。如图1.3C所示，采用ZIF-8作为宿体，利用其内部空腔结构（dc=11.6）封装Fe(acac)3，热解过程后氮原子稳定住了其中心的Fe原子，形成Fe-NX结构均匀分散的SACs[62]。如图1.3D所示，采用UiO-66-NH2作碳骨架并利用对苯二甲酸所连接的胺基团与Ru原子进行配位，可有效地抑制Ru的迁移团聚，热处理后得到稳定的Ru单原子碳基催化剂[63]。图1.3空间限域策略所制备SACs的AC-STEM图（A）及Pt单原子被锚定沸石结构的模型（B）；（C）Fe单原子催化剂的制备方法；（D）Ru单原子UiO-66-NH2基体催化剂的生成步骤。Fig.1.3SpatialConfinementStrategyfortheSynthesisofSACsAC-STEMimages(A)andmodelofsinglePtatomslocatedinthezeoliteKLTL(B);(C)Schematicpreparationprocessofsingle-atomFecatalyst.(D)FormationprocedureofsingleUiO-66-NH2.
【参考文献】：
期刊论文
[1]锌空气电池关键问题与发展趋势[J]. 洪为臣,马洪运,赵宏博,王保国. 化工进展. 2016(06)
[2]质子交换膜燃料电池非铂电催化剂研究进展[J]. 聂瑶,丁炜,魏子栋. 化工学报. 2015(09)
[3]通过铁掺杂和造孔提高氮掺杂石墨烯/碳纳米管复合物电催化氧还原性能的研究（英文）[J]. 张云,胡劲松,江文杰,郭琳,魏子栋,万立骏. 电化学. 2014(05)
[4]氧电极催化材料的研究现状[J]. 魏子栋,李莉,李兰兰,唐致远,郭鹤桐. 电源技术. 2004(02)
本文编号：3142909
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