非贵金属碳基材料多功能催化剂的合成及锌空电池相关应用

发布时间：2021-11-03 19:38

　　许多实验和计算研究发现,碳材料中的特征电子自旋态和电荷态可增加反应物和中间体的吸附/解吸自由能,以及作为氧还原催化剂的用途。将杂原子（例如N,O,B,P等）或者金属M-N-C（Mn,Co,Fe等）引入碳骨架中对单一和共掺杂碳材料表现出良好的电化学性能。合理设计高效三官能电催化剂的氧还原反应（ORR）,析氧反应（OER）,析氢反应（HER）对电化学方面应用于储存能源与转换来说至关重要。本论文主要设计合成制备高活性,成本低,操作简单,稳定性高的碳基材料催化剂。具体工作如下:（1）利用B掺杂提高Co-N-C活性位点效率用于高效氧还原反应及锌空电池相关应用实验操作简单,材料结构新颖,为B掺杂元素催化剂开辟了新的见解。DFT计算证明了引入的B元素提供了电子缺陷位点,其可以激活Co-N-C位点周围的电子转移,增强与含氧物质的相互作用,从而加速4e-处理的ORR和OER中的反应动力学。本工作中,M-N-C活性位点的原子反应效率可以通过用杂原子修饰用于氧电催化的位点增强。我们制备的催化剂使其成为有希望的候选物在能量转换和存储设备方面。（2）N掺杂碳纳米管Co2P-CoN双活性中心多功能催化剂的制备及锌... 

【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校

【文章页数】：120 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１传统的碳材料示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ．??

?氮掺杂可以改善碳材料的浸润性和生物相容性等优点［１９＠］。氮键结构被分为四??种类型，吡啶氮、吡咯氮、石墨氮和氧化氮［２１＿２３］，如图１．２所示不同类型的氮能??影响其自身性能。如石墨氮和吡啶氮能对氧还原反应贡献很大。??ＰｒｉｄｉｎｉｃＮ?（３９８．６ｅＶ）?Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ?Ｎ?（４０１．２ｅＶ）??Ｏｘｉｄｉｚｅｄ?Ｎ?Ｊ?１??—??Ｊ４００．５ｅＶ）??图１．２氮掺杂碳材料中不同氮的化学键示意图［２３］??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｔｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｂｏｎｄｓ?ｏｆ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｎｉｔｒｏｇｅｎ?ｉｎ?ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｄｏｐｅｄ??Ｐ２３＇??ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ?＼??氮掺杂碳材料制备方法一般可分为两类：（１）原位掺杂；（２）后掺杂。常见的??氮掺杂碳材料主要包括，氮掺杂碳纳米管，氮掺杂碳纳米纤维，氮掺杂石墨烯??以及氮掺杂碳微球等。??（２）硼掺杂的碳材料??由于其独特的性质，硼被发现是非金属催化中的有用成分［２４］。硼是一种轻??质的准金属元素，通常能够在晶体结构中与氧化态ＩＩＩ的硼形成稳定的共价键［２５］。??因此，含硼化合物通常非常稳定，具有髙热稳定性，耐化学性和机械硬度的性??质，并且它们通常也用作电绝缘体［２６］。在应用方面，硼主要用作绝缘和结构材??料的添加剂，在物理和有机化学中仅使用少量硼。硼在材料科学中开始受到关??注

有希望的共掺杂剂。最近的报道表明，碳纳米结构中插入的硼（Ｂ）原子可以作??为ＯＲＲ活性位点。这种调整使ＢＣＮ纳米管对ＯＲＲ活性起作用，因为它们在碳??框架中含有一些分离的Ｂ－Ｃ和Ｎ－Ｃ键（图１．３ｂ）?［３Ｗ２］。通过改善电子自旋密度，??Ｂ－Ｃ和Ｎ－Ｃ键可以产生比传统Ｂ－Ｎ键更好的电子态，从而激活０ＲＲ和ＨＥＲ过??程ｔ３３＿３４］。最近，胡征等人通过不同含量的Ｂ，?Ｎ元素对比ＯＲＲ性能，发现一定??量的Ｂ元素可以提高０２吸附，从而改善ＯＲＲ性能。值得注意的是，引入的Ｂ??元素提供了一个电子缺陷位点，可以激活Ｃｏ－Ｎ－Ｃ位点周围的电子转移，加强与??含氧物质的相互作用，从而加速４ｅ—处理的ＯＲＲ和ＯＥＲ中的反应动力学［３５］。相??对于纯碳材料，经过硼掺杂的碳材料具有更优越的性能，在很大程度上扩大了??碳材料的应用。??（３）磷掺杂碳材料??磷（Ｐ）是一种Ｖ族元素，与氮（Ｎ）是同一主族元素，Ｐ具有比Ｎ更高的??给电子能力和更强的ｎ型效应。另外


本文编号：3474232