碳基纳米材料的制备及其氧还原电催化性能研究

发布时间：2021-08-27 00:25

　　锌空气电池是一种高效绿色的能源转换技术,近些年来得到了极大的发展,但是其大规模推广仍然面临着诸多问题,其中之一就是阴极发生的氧还原反应过于迟缓。传统的氧还原电催化剂铂由于价格昂贵,容易中毒等缺点已经无法满足当下锌空气电池发展的需求。其中,碳基纳米材料是一种极具潜力的铂的替代材料,虽然具有众多优点,但当前碳基纳米材料的氧还原电催化活性仍然需要进一步提高。（1）本论文通过选择容易被氧化的邻苯二胺为聚合物单体,氯化铁和过硫酸铵作为单体聚合引发剂,辅以硬模板二氧化硅,通过牺牲模板法制备得到了介孔状的碳基纳米材料m-FeSNC。由于铁源与单体之间较强的化学作用,铁元素在碳骨架上得到了良好的分散;硫的引入抑制了高温下铁对碳骨架的石墨化催化作用,无序的碳表面有利于活性位点的形成,提高了材料的活性位点密度;二氧化硅模板的使用使催化剂具有高比表面积,均匀分散在碳骨架上的活性位点得以暴露,且传质得以改善。得益于硫元素的掺杂对材料本征活性的提升和模板对材料传质的改善,m-FeSNC在0.1 MKOH电解液中氧还原半波电位达到0.904 V,且稳定性良好。以该催化剂为阴极催化剂,组装得到的锌空气电池峰值功率密... 

【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】：107 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１－１金属空气电池的基本原理［１７］??Ｆｉｇ．１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｍｅｔａｌ－ａｉｒ?ｂａｔｔｅｒｙ??

催化剂，原料为廉价??的炭黑、无机铁盐／钴盐、聚丙烯晴（ＰＡＮ），这些前驱体混合之后在氩气下８０（ＴＣ热处??理就得到了?Ｍｅ－Ｎｘ－Ｃ催化剂［１？。该报道表明，在有铁源和氮源、金属盐存在的前提??下，惰性气氛下高温热处理就可以得到具有较高活性的非贵金属ＯＲＲ催化剂。之后，??研宄者们的研宄重点集中在前驱体的调控和催化剂传质的优化以及反应机理的探索。??■?Ｍ?Ｍ??（ＸＯ??Ｐｏｒｐｈｙｒｉｎ（Ｐ卜啉）?Ｃｏ?ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ（钻酞箐）?Ｈｅｍｉｎ（氯化血红素）??图１－２三种不同的过渡金属大环化合物??Ｆｉｇ．１－２?Ｔｈｒｅｅ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｋｉｎｄｓ?ｏｆ?ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ?ｍｅｔａｌ?ｍａｃｒｏｃｙｃｌｅ?ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ??许多研宄者针对不同前驱体对所得催化剂活性的影响进行了研宄。胡劲松研??究组以ＣＮＴ，葡萄糖，三聚氰胺和铁盐作为前驱体制备Ｆｅ－Ｎｘ－Ｃ型催化剂，观察??到随着铁盐的量增加，催化剂ＯＲＲ活性增强。而铁盐的增加更多的诱导了结晶Ｆｅ??物质的存在。作者认为结晶Ｆｅ可以增强Ｆｅ纳米颗粒周围Ｎ和ＦｅＮｘ位点的活性Ｉ１％。??８??

’?Ｂ?／??＜?＾?ｗ?．＊：?ｙ?＊?＊?＊■?＞＊％?＾?ｉ??◎办?ｌ?＜?Ｉ??＊?ｍ?？＊?ｍ?＊?＞＊?＊?：＃?＊?＊．？■?＊？?＾?＾?ｍ?ｉ?￡＊??ｇ?Ｊ?／?ｇ?ｆｔ??＾?－０?８－广Ｊ?－?－０．６－?Ｊ＼??Ｈ??????．．．＊０．８＊?：??＾?丨丨．ＩＭＩ?－—一：??〇＾２?〇＊４?｜６?０Ｊ?．１０?＇〇２?０．４?０．６?０Ｊ?１０?１Ｊ??Ｅ／Ｖ（ＲＨＥ）?Ｅ／ＶＣＲＨＥ）??图２－１?（ａ）在氧气和氮气饱和的电解液中的循环伏安曲线，（ｂ）典型的ＯＲＲ极化曲线［＿??Ｆｉｇ．２－１?（ａ）Ｔｙｐｉｃａｌ?ＣＶ?ｃｕｒｖｅｓ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｂａｓｅｄ?ＯＲＲ?ｃａｔａｌｙｓｔｓ?ｉｎ?〇２?ａｎｄ?Ｎ２?ｓａｔｕｒａｔｅｄ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?ａｔ?９００??ｒｐｍ；?（ｂ）Ｔｙｐｉｃａｌ?ＯＲＲ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｃｕｒｖｅ?ａｔ?９００?ｒｐｍ??３．活性评价：如图２－１?（ｂ）所示，ＯＲＲ是扩散控制的反应，在低过电势的Ａ区（Ｅ＞??１．０?Ｖ），反应为动力学控制，ＯＲＲ电流极小；中等过电势的Ｂ区（０．８－１．０Ｖ）为动力学和??传质混合控制；高过电势的Ｃ区（Ｅ＜０．８?Ｖ）为传质控制，此时ＯＲＲ电流仅由电极表面??氧气传质速率决定，称为极限电流ｋ。对于ＯＲＲ电催化，半波电势（Ｅ１／２）是评价活性??的有力指标，其指的是达到极限电流的一半所需要的电势。催化剂的本征动力学电流??ｉｉｏ根据Ｋｏｕｔｅｃｋｙ－Ｌｅｖｉｃ（Ｋ－Ｌ）方程计算得到。??ｉ＿１?＝?ｉ：１?＋?Ｉｋ１?式（２－２）??１７??


本文编号：3365268